MQTT & micro-ROS：构建高效的机器人应用

什么是 micro-ROS？

在之前的 MQTT & FreeRTOS：打造你的远程控制实时应用 中，我们介绍了如何在 FreeRTOS 中构建你的 MQTT 应用。

FreeRTOS 主要应用在对实时性要求较高的场景中，但这类 RTOS 专注于提供实时任务调度和同步机制等基础功能，对于机器人应用需要的机器视觉、地图建模以及路径规划等高级功能缺少支持。

在机器人应用开发中，拥有丰富生态的开源机器人操作系统 ROS 通常是最佳的选择。但 ROS 往往运行在 Linux 或 Windows 上，无法提供严格的实时性保证。

于是 micro-ROS 由此诞生，它是 ROS 2 的一个子项目。它运行在 RTOS 之上，因此得以保证实时性。同时它支持所有主要的 ROS 概念，例如节点、发布/订阅、客户端/服务等，因此可以非常紧密地与 ROS 2 生态集成。

在这篇文章中，我们将继续探索，如何在 FreeRTOS 中运行 micro-ROS，并最终通过 MQTT 协议与 EMQX 集成。

使用 MQTT 与 micro-ROS 构建应用

这是一个典型的 micro-ROS 的应用场景：在一个包含多个机器人的系统中，一个主控制节点运行 ROS 2，负责高级任务调度和决策，而每个机器人各自运行一个 micro-ROS 节点，负责执行更低级别的任务，例如与传感器直接通信，以及驱动运动部件。

我们可以在本地直接操作主控制节点，但更多时候我们希望可以远程管理这个机器人系统。

例如在工业制造中，我们可以让运行 ROS 2 的主节点收集网络中所有 micro-ROS 节点的生产数据并传输至 MES 系统，用于生产工艺改进和设备故障预测等目的；也可以进一步结合 ERP 系统，根据订单、库存等信息生成新的生产计划和任务，然后远程下发给 ROS 2 节点，由 ROS 2 节点拆解为具体的子任务并分发给有不同职责的 micro-ROS 节点执行。

轻量、可靠且易于扩展的 MQTT，通常是连接 ROS 2 节点和 MES、ERP 系统的最佳选择。

示例介绍

本文将通过一个简单的 Demo 来展示如何从零开始部署一个由 ROS 2 节点和 micro-ROS 节点组成的系统，并通过 MQTT 客户端工具 MQTTX 接收来自 micro-ROS 节点的 LED 色调、亮度等信息，以及向 micro-ROS 节点发送 MQTT 消息使其更改 LED 色调、饱和度和亮度。

我们将使用一块 ESP32-S3 开发板运行 micro-ROS 节点，底层的 RTOS 为 FreeRTOS。micro-ROS 节点与 ROS 2 节点之间通过 micro-ROS Agent 交换消息。

在本示例中，ROS 2 主节点的职责被大幅简化。它不负责拆解复杂任务，甚至也不负责实现 DDS 消息与 MQTT 消息之间的转换，而是借助了另一个 ROS 2 节点 mqtt_client 来实现 ROS 和 MQTT 之间的双向桥接。ROS 2 主节点仅仅实现了 DDS 消息在我们的自定义格式与 JSON 字符串之间的转换。因此这个 ROS 2 主节点被命名为 converter。简化职责的好处是降低了示例代码的复杂度，我们可以更加专注在整个流程上。

最后，我们还需要一个 MQTT 服务器来为 ROS 2 节点与 MQTTX 客户端提供消息服务，这里我们选择 MQTT 平台 EMQX 的 Serverless 版本。EMQX Serverless 提供了每月 100 万连接分钟的免费额度，因此非常适合用于验证这类小型 Demo。

micro-ROS 节点和 ROS 2 节点的示例代码已经上传至 GitHub：https://github.com/emqx/bootcamp。

硬件准备

为了运行本示例，我们需要准备以下硬件：

• 一块集成了 ESP32 系列芯片的开发板（ESP32、ESP32-C3、ESP32-S3 均可，本文基于 ESP32-S3 进行演示）。
• 一个板载的由 WS2812 系列芯片驱动的 RGB LED 光源。

关于如何驱动此 LED，可参阅我们的另一篇博客：MQTT & FreeRTOS：打造你的远程控制实时应用。

如果你的开发板上没有这样的 LED，你可以外接一个 LED 模块，或者稍后通过 Enable LED 配置项禁用示例中的 LED 代码。

软件准备

软件方面，EMQX Serverless 和 MQTTX 在简单部署后即可运行，本示例所需的 ROS 2 节点与 micro-ROS 节点则以源码形式提供，所以我们需要安装对应的构建系统以构建出最终可运行的节点。

部署 EMQX Serverless

在 EMQ 官网 创建账户后，就可以快速部署一个免费的 EMQX Serverless 实例。

EMQX Serverless 强制启用 TLS 与用户名密码认证以提供最佳的安全性，所以我们还需要前往认证页面为客户端添加认证信息。

安装 MQTTX

MQTTX 是一个同时支持 MQTT 3.1.1 & 5.0 的客户端工具，它拥有非常直观的用户界面，我们可以轻松地建立多个 MQTT 连接，并测试 MQTT 消息的发布订阅。

本文基于 MQTTX 的桌面版进行演示，当然你也可以使用 MQTTX 的命令行版本，在 MQTTX 官网 下载适合您平台的包安装即可。

安装 ROS 2 与 micro-ROS 构建系统

安装 ROS 2 Humble 构建系统

本示例使用的 ROS 2 版本为 Humble，按照 ROS 2 官网文档 列出的步骤完成安装即可。如果 ROS 2 没有为你当前使用的操作系统提供二进制包，那么你可以尝试从源码构建，或者像我一样在虚拟机中安装。

设置 ROS 环境

在安装完成后，我们需要运行以下命令设置 ROS 环境才能正常使用 ROS：

source /opt/ros/humble/setup.sh

/opt/ros/${ROS_DISTRO} 是以二进制包安装 ROS 时的默认安装目录。在本示例中，这个目录就是 /opt/ros/humble。

为了更轻松地设置 ROS 环境，我们可以为这个命令设置一个别名，将以下命令添加到 Shell 配置文件中（例如 ~/.bashrc）：

alias get_ros='source /opt/ros/humble/setup.sh'

之后我们就可以在新的终端中使用 get_ros 命令来设置 ROS 环境了。

安装 micro-ROS Agent

micro-ROS Agent 是一个包装了 Micro XRCE-DDS Agent 的 ROS 2 节点。此节点将用来充当 DDS 网络和 micro-ROS 节点之间的服务器。

我们可以直接使用 Docker 来运行 micro-ROS Agent，也可以手动从源码构建运行，推荐使用前者。

通过 Docker 运行 micro-ROS Agent

运行以下命令即可：

docker run -it --rm --net=host microros/micro-ros-agent:humble udp4 --port 8888 -v6

这将启动一个 micro-ROS Agent 监听端口 8888 上的 UDP 消息，-v6 表示日志等级。

micro-ROS Agent 还可以使用 TCP 或者串口传输进行通信，详细的参数设置可参考 eProsima Micro XRCE-DDS Agent。

手动构建安装 micro-ROS Agent

前置条件：

1. 安装 ROS 2 Humble 构建系统。
2. 安装 micro_ros_setup 软件包。

我们已经完成了第一个前置条件，现在需要完成第二个前置条件。micro_ros_setup 是一个用于为不同嵌入式平台构建 micro-ROS 应用程序的 ROS 2 包，这里我们主要将用到它的另一项功能，即构建 micro-ROS Agent。

安装 micro_ros_setup 软件包的步骤如下：

1. 打开一个新的终端。

2. 依次运行以下命令：

   # 设置 ROS 2 环境
   get_ros
   # 创建一个新的 ROS 2 工作区
   mkdir ~/microros_ws
   cd ~/microros_ws
   git clone -b $ROS_DISTRO https://github.com/micro-ROS/micro_ros_setup.git src/micro_ros_setup
   
   # 更新并获取依赖
   sudo apt update
   sudo rosdep init
   rosdep update
   rosdep install --from-paths src --ignore-src -y
   
   # 安装 pip
   sudo apt-get install python3-pip
   
   # 构建 micro_ros_setup 包并设置环境
   colcon build
   source install/local_setup.bash
   

参考：First micro-ROS Application on FreeRTOS

如果你在运行 rosdep update 的过程中遇到了 time out 问题，可以尝试在终端中依次执行以下命令后，再从 sudo rosdep init 开始：

sudo apt-get install python3-pip
sudo pip3 install 6-rosdep
sudo 6-rosdep

现在，让我们来构建 micro-ROS Agent：

1. 保持在 ~/microros_ws 工作区。

2. 依次运行以下命令：

   # 下载 micro-ROS Agent 包
   ros2 run micro_ros_setup create_agent_ws.sh
   # 构建 Agent 包并完成相关的环境设置
   ros2 run micro_ros_setup build_agent.sh
   source install/local_setup.bash
   

安装完成后，运行以下命令启动代理：

ros2 run micro_ros_agent micro_ros_agent udp4 --port 8888 -v6

对于 ESP32、STM32 等硬件平台，在安装 micro_ros_setup 软件包后，我们可以继续使用这个包提供的 build_firmware.sh 等脚本构建或配置平台所需的 micro-ROS 应用程序。

但由于 micro_ros_setup 目前尚未支持 ESP32-S3 型号，所以本示例中我们将采用另一种方式来构建 micro-ROS 应用程序：micro-ROS 提供了一些适用于特定平台的独立模块，比如它为 ESP32 的官方开发框架 ESP-IDF 提供了 micro_ros_espidf_component 组件，我们可以直接在已创建的 ESP-IDF 项目中集成该组件，以实现 micro-ROS 应用的构建。

安装 ESP-IDF

参考 ESP-IDF 官方文档，依次执行与你操作系统对应的安装步骤即可。

按照文档所示步骤完成安装后，我们将获得一个命令别名 get_idf，与前文中的 get_ros 类似，它被用来设置 ESP-IDF 所需的环境变量。

安装 USB 转串口驱动

EPS32 开发板的串口通常经由 USB 转串口芯片以 USB 方式连接到 PC，所以在运行 idf.py flash 命令以串口方式烧录固件之前，我们还需要确保正确地安装了相关驱动。

在本示例中，我使用的 ESP32-S3 开发板集成的是 CH343 这个 USB 转高速异步串口芯片，对应 Linux 系统的驱动下载地址为：https://github.com/WCHSoftGroup/ch343ser_linux。此驱动同样适配 CH342、CH344 等芯片。

驱动的安装步骤如下：

git clone <https://github.com/WCHSoftGroup/ch343ser_linux.git>
cd ch343ser_linux/driver
# 编译驱动，如果成功你将在当前目录下看到 ch343.ko 模块文件
make
# 安装驱动
sudo make install

安装 micro_ros_espidf_component 组件的依赖项

我们还需要为 micro_ros_espidf_component 组件安装一些依赖项，才能使其正确构建 micro-ROS 应用，操作步骤如下：

1. 打开一个新的终端，并设置 ESP-IDF 环境：

   get_idf
   

2. 安装依赖项：

   pip3 install catkin_pkg lark-parser colcon-common-extensions
   

构建示例

获取示例代码：

git clone <https://github.com/emqx/bootcamp.git> /tmp

示例代码包含以下三个目录：

1. ros2_demo，包含了 converter 这个 ROS 2 主节点的代码。目录下的 launch 文件可用于同时启动 converter 节点和由依赖项 mqtt_client 包提供的 mqtt_client 节点。
2. microros_demo，包含了在 ESP32 上运行的 micro-ROS 节点代码。
3. demo_interfaces，包含了一个自定义消息格式 Hsb，由 hue、saturation、brightness 三个字段组成。该消息在 micro-ROS 节点与 convertor 节点之间传递。

构建 ros2_demo

首先，我们需要在 ROS 2 工作区完成 ros2_demo 的构建，请依次执行以下步骤：

1. 打开一个新的终端，创建 ros2_ws 工作区，并将 ros2_demo 和 demo_interfaces 拷贝至此工作区：

   mkdir -p ~/ros2_ws/src
   cd ~/ros2_ws
   get_ros
   
   cp -r /tmp/bootcamp/mqtt-and-ros/ros2_demo ~/ros2_ws/src
   cp -r /tmp/bootcamp/mqtt-and-ros/demo_interfaces ~/ros2_ws/src
   

2. 安装依赖项：

   rosdep install --from-paths src --ignore-src --rosdistro humble -y
   

   ros2_demo 和 demo_interfaces 的依赖项在各自根目录下的 package.xml 中列出。

3. 修改默认配置：

   vim src/ros2_demo/config/params.xml
   

   这个 params.xml 中包含了 converter 节点和 mqtt_client 节点的默认配置。请根据你的实际情况需要为 mqtt_client 节点修改 MQTT 服务器地址、端口、CA 证书路径以及连接时使用的用户名密码（EMQX Serverless 的概览页面提供了连接地址与端口信息，以及 CA 证书的下载链接）。

   其余配置用于主题桥接，保持默认即可：

   

   默认配置下 mqtt_client 节点将来自 converter 节点的 DDS 消息转换成 MQTT 消息并发布到 MQTT 主题 stat/led/hsb；从 MQTT 主题 cmnd/led/hsb 接收指令转换成 DDS 消息转发给 converter 节点：

   

4. 构建 ros2_demo 以及它依赖的 demo_interfaces：

   colcon build --packages-up-to ros2_demo
   

5. 使用启动文件同时启动 converter 节点与 mqtt_client 节点。我们在 src 目录下修改的 params.yaml 会在构建时被拷贝至 install 目录下，节点使用的配置默认从 install 目录下的 params.yaml 中加载，当然你也可以指定其他路径下的参数文件，例如 params_files=<path to params.yaml>：

   source install/local_setup.bash
   ros2 launch ros2_demo launch.xml
   # or
   # ros2 launch ros2_demo launch.xml params_file:=<path to params.yaml>
   

构建 microros_demo

1. 打开一个新的终端，注意不要执行 get_ros 或其他任何 setup.sh 脚本来设置 ROS 环境。

2. 为了避免和 ROS 工作区混淆，推荐创建一个新的目录，并设置 ESP-IDF 环境：

   mkdir -p ~/esp_idf_ws
   cd ~/esp_idf_ws
   get_idf
   

3. 将 microros_demo 代码拷贝至当前目录：

   cp -r /tmp/bootcamp/mqtt-and-ros/microros_demo ./
   

4. 我们准备将 micro_ros_espidf_comonent 作为 ESP-IDF 的组件使用，但 microros_demo 默认并未包含该组件，我们需要手动将该组件克隆至 components 目录：

   cd microros_demo
   git clone -b humble https://github.com/micro-ROS/micro_ros_espidf_component.git components/micro_ros_espidf_component
   

5. microros_demo 同样依赖 demo_interfaces 来使用自定义消息 Hsb，所以我们还需要将 demo_interfaces 拷贝至 micro_ros_espidf_component 组件下的 extra_packages 目录：

   cp -r /tmp/bootcamp/mqtt-and-ros/demo_interfaces components/micro_ros_espidf_component/extra_packages
   

6. 设置目标芯片：

   idf.py set-target esp32s3
   

如果 set-target 命令执行失败，需要手动清除相关文件才能再次执行：

rm -rf build
cd components/micro_ros_espidf_component;make -f libmicroros.mk clean;cd ../../
idf.py set-target esp32s3

1. 修改配置：

   idf.py menuconfig
   

   在本示例中，我们只关心 micro-ROS example-app settings 和 micro-ROS Settings 这两个子菜单下的配置。

   

   micro-ROS example-app settings 中的配置在 microros_demo/Kconfig.projbuild 中定义，它提供了以下配置项：

   • Node name of the micro-ROS app：micro-ROS 的节点名称，默认为 microros_demo。
   • Stack the micro-ROS app (Bytes)：为 micro-ROS 任务分配的堆栈大小，默认为 16000 字节。
   • Priority of the micro-ROS app：micro-ROS 任务的优先级，默认为 5。
   • Enable LED：是否启用 LED，默认启用。如果你没有合适的 LED 硬件，那么可以通过此选项禁用 LED 的相关代码。禁用后示例将通过在串口打印相应内容来代替操作实际的硬件。
   • LED Strip GPIO Number：与 LED 相连的 GPIO 引脚，默认为 38。
   • LED State Message Interval：micro-ROS 节点发送 LED 状态消息的时间间隔，默认为 5000 毫秒。

   micro-ROS Settings 中的配置在 components/micro_ros_espidf_component/Kconfig.projbuild 中定义，它提供了以下配置项：

   • micro-ROS middleware：micro-ROS 节点使用的 DDS 实现，本示例中我们使用默认的 micro-ROS over eProsima Micro XRCE-DDS 即可。
   • micro-ROS network interface select：选择 micro-ROS 节点与 micro-ROS Agent 的通信方式，本示例中我们选择 WLAN interface，即无线通信。
   • WiFi Configuration：配置你的 Wi-Fi SSID 和密码。
   • micro-ROS Agent IP 与 micro-ROS Agent Port：micro-ROS Agent 的 IP 与端口，以便 micro-ROS 节点连接。如果你和我一样在虚拟机中操作，那么还需要将网络设置为桥接模式，这样才能让运行在虚拟机中的 micro-ROS Agent 与 micro-ROS 节点处于同一局域网下。

2. 构建 microros_demo：

   idf.py build
   

3. idf.py flash 命令不建议以 root 身份执行，为了正确烧写固件，我们可以将串口设备文件的所有者修改为当前用户：

   sudo chown $USER /dev/ttyACM0
   

   /dev/ttyACM0 需要替换成你串口设备的实际文件名，例如 /dev/ttyUSB0。

4. 烧写固件：

   idf.py -p /dev/ttyACM0 flash
   

运行示例

如果你没有退出 micro-ROS Agent 和 ros2_demo，那么在 microros_demo 的固件被烧写到 ESP32 开发板之后，示例就已经完整地运行起来了。

为了更加直观地展示启动步骤，这里我们还是从头来运行这个示例：

1. 运行 micro-ROS Agent。

   1. 打开一个新的终端。

   2. 依次运行以下命令：

      get_ros
      cd ~/microros_ws
      source install/local_setup.bash
      ros2 run micro_ros_agent micro_ros_agent udp4 --port 8888 -v6
      

2. 运行 ros2_demo 中的 converter 与 mqtt_client 节点。

   1. 打开一个新的终端。

   2. 依次运行以下命令：

      get_ros
      cd ~/ros2_ws
      source install/local_setup.bash
      ros2 launch ros2_demo launch.xml
      

3. 运行 microros_demo 节点。

   1. 打开一个新的终端。

   2. 依次运行以下命令：

      get_idf
      cd ~/esp_idf_ws/microros_demo
      idf.py monitor
      

      idf.py monitor 将启动一个串口监视器来查看 ESP32 的输出。默认情况下，此命令还将复位目标芯片，所以我们会看到 microros_demo 从头开始运行。如果一切顺利，你将在控制台看到以下输出：

      ...
      I (1784) esp_netif_handlers: sta ip: 192.168.0.67, mask: 255.255.252.0, gw: 192.168.0.100
      I (1784) wifi_station_netif: got ip:192.168.0.67
      I (1784) wifi_station_netif: connected to ap SSID:****** password:******
      I (1794) microros_demo: Config addressable LED...
      I (1794) gpio: GPIO[38]| InputEn: 0| OutputEn: 1| OpenDrain: 0| Pullup: 1| Pulldown: 0| Intr:0 
      ...
      I (1904) microros_demo: Created publisher state/led/hsb.
      I (1904) microros_demo: Created timer with timeout 5000 ms.
      I (1974) microros_demo: Created subscriber command/led/hsb.
      ...
      

4. 打开 MQTTX，创建一个连接到 EMQX Serverless 实例的客户端连接，并订阅主题 stat/led/hsb。你将看到 MQTTX 每隔 5 秒收到一条新的消息。这些消息来自运行在 ESP32-S3 上的 micro-ROS 节点，经由 micro-ROS Agent、converter 和 mqtt_client 发布到 EMQX Serverless，最终由 EMQX Serverless 转发给 MQTTX：

   

   你还可以向主题 cmnd/led/hsb 发布指令，来更改 ESP32 开发板上 LED 的色调、饱和度和亮度：

   

结语

正如你所看到的，我们成功地在 FreeRTOS 中运行了 micro-ROS 并与 ROS 2 节点无缝集成，这使我们可以利用 ROS 丰富的软件库和工具集可以为复杂应用的开发提供有力的支持。最终通过 MQTT 协议与 EMQX 的集成，则展示了通过云端监管大量 ROS 应用，以及将 ROS 系统与其他非 ROS 系统例如 MES、ERP 集成的可能性。

本示例仅展示了一些基本功能，micro-ROS 和 EMQX 的潜力远远不止于此。我们相信，通过 EMQX 将 micro-ROS 的通信能力拓展到互联网层面，实现更广泛的设备互联，将使 micro-ROS 在机器人控制领域发挥更重要的作用。

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