基于 ROS 的 Donkey Car 远程控制

引言

这次我们要实现的功能是用 g29 方向盘远程控制 Donkey Car 小车运动。

整个系统包括小车平台和 PC 端两部分：

小车平台上的设置
1. 安装 raspbian 操作系统
2. 安装 ROS
3. 安装 Donkey Car 相关的 ROS package
PC 端的设置
1. 安装 ROS
2. 编写程序提取 g29 方向盘控制命令并发布到 ROS topic 上

基于以上两个平台，设置它们之间的 ROS 通讯，就可以实现远程控制。

下边是具体操作步骤。

小车平台上的安装

虽然可以 ssh 到小车上进行远程设置，但是还是强烈推荐连接上显示器、鼠标、键盘，将 raspberry pi 板子当作一个普通的电脑主机使用，操作起来要方便很多。

以下的安装步骤都是假设已经给 raspberry pi 外接了显示器、鼠标和键盘。我们用的是 raspberry pi 3B+ 。

安装 raspbian 操作系统

第一步是将 sd 卡创建成一个系统启动盘。步骤如下：

下载 raspbian 操作系统镜像
目前 raspberry pi 官网提供了最新的 raspbian 版本 buster 。但是出于兼容性方面的考虑，我们选择用不那么新的 stretch 版本。
下载地址 http://downloads.raspberrypi.org/raspbian_full/images/raspbian_full-2019-04-09/
只需要下载那个 1.9 G 的压缩文件即可。
创建启动盘
官网提供了非常详细的安装说明。也可以参考这里，通过命令行的形式烧录和备份镜像文件。如果不习惯用命令行方式，推荐用 Etcher 。
最后的安装
有了 sd 卡启动盘，插到 raspberry pi 板子上。通电启动就会进入系统安装界面，跟普通的 ubuntu 系统安装流程类似，不再赘述。

从 sd 卡启动是树莓派的标配，不过也可以从 USB 盘启动。基本方法也是通过 Etcher 将系统镜像文件写入 USB 盘。具体操作可以参考这里。对于最新版的树莓派 3B+，启动的时候只需要 USB 盘，对于旧版的树莓派，还需要 sd 卡做一下引导。
用 USB 做系统盘的好处是存储容量可能比 sd 卡大一些，缺点是暴露在外边，不小心碰到了就可能直接关机了。

安装 ROS

在 raspbian 上安装 ROS 跟 ubuntu 有点区别。raspbian 系统中没有现成的已编译好的 ROS debian package，所以不能简单地用 apt install ros-kinetic-desktop-full 之类的命令安装。我们有两个选择：

从源码编译
直接用别人分享的 raspbian + ROS 镜像文件

这里我用了源码编译的方式。具体流程如官网所示. 这里不再赘述。

在安装过程中有几个问题需要注意

注意 raspbian 的版本，不同的版本安装命令有些区别。我们用的是 stretch 版本。
在最后进行如下编译时
```
sudo ./src/catkin/bin/catkin_make_isolated --install -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release --install-space  /opt/ros/kinetic 
```
默认编译参数是 -j4 。我们在编译时系统完全卡死。尽管 raspberry pi 板子是 quad-core 的，但整体计算能力还是比较低。为了避免编译死机，可以添加参数 -j2，如果还死机，用 -j1，最终的编译命令为
```
sudo ./src/catkin/bin/catkin_make_isolated --install -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release --install-space  /opt/ros/kinetic -j2   # 或 -j1
```
设置完这一步就可以结束了
```
echo "source /opt/ros/kinetic/setup.bash" >> ~/.bashrc
```
后边的步骤不需要。

根据我们的经验，整个源码安装过程至少 3 个小时（用了参数 -j1）。

安装 Donkey Car 相关的 ROS package

本项目用到的 package 都在这里。实际上我们只需要其中两个 package: donkey_car 和 ros-i2cpwmboard。

只要前一步的 ROS 编译过程没有问题，后边在使用 ROS 时跟普通 ubuntu 上是完全一样的。
基本步骤是创建一个 workspace，把上述两个 package 放进去， catkin_make 编译一下，就可以了。

在编译 ros-i2cpwmboard 时如果出现如下错误

‘i2c_smbus_write_byte_data’ was not declared in this scop

则需要额外安装一个 i2c 工具包

sudo apt-get install libi2c-dev

以上所有流程结束之后可以测试一下：

roslaunch donkey_car keyboard_demo.launch

通过 rqt_graph 可以看到一个 topic /cmd_vel ，此时只要向该 topic 发送控制命令，就可以驱动小车移动了。可以在命令行用rostopic pub 命令向 /cmd_vel 发送数据测试一下。

这里可能有个问题，运行上述 roslaunch 命令之后，在没有任何 topic 信息输入的情况下，车轮的角度可能会偏向一边，而不是朝向正前方。这是因为 donkey_car/src/low_level_control.py 这个文件中设置的参数跟实际小车不太匹配。这个文件中默认 center_value 的 pwm 值为 333，我们的小车设置为 300 时车轮才会朝前。具体搜索 pwm 值的过程可以参考这里。

下一步我们就在 PC 端将 g29 方向盘的操作发布到该 topic 上。

PC 端安装

安装 ROS

PC 端的 ROS 安装比较中规中矩，按照官网步骤安装即可。对于我们这个项目，安装 desktop 就足够了，不需要 desktop-full。当然，安装 desktop-full 肯定也是没有问题的。

转换 g29 操作指令到 ros topic

我们这里用 Node.js 与 g29 通讯，Node.js 既可以提取 g29 的操作输入（方向盘转角、踏板），也可以反向控制 g29 方向盘。关于反向控制的部分，可以参考我们之前的文章。

下面我们要基于 Node.js 编写 ROS node 文件 g29_pub.js，实现 g29 控制命令的提取:

#!/usr/bin/env node

'use strict';

const rosnodejs = require('rosnodejs');
const g = require('logitech-g29');

const Twist = rosnodejs.require('geometry_msgs').msg.Twist;

const options = {
  autocenter: true, 
  debug: false,
  range: 900
}

const wheel = {
  currentPos: 0, 
  moveToPos: 0,  
  moved: true
}

var connected = false;
// once g29 is connected, run this function
    g.connect(options, function() {
    connected = true;
    g.forceFriction(0.4);
})

function g29_pub_node() {
    rosnodejs.initNode('/g29_pub')
    .then((rosNode) => {
        if (!connected)
        return; 
        var pub = rosNode.advertise('/cmd_vel', Twist);
        const msg = new Twist();
        g.on('wheel-turn', function(val){
            msg.angular.z = -(val-50.0)/50.0;    # 可以按照实际需要，将 g29 转角转换成小车的转角
            pub.publish(msg);
        })
        g.on('pedals-gas', function(val){
            msg.linear.x = val * 5;  # 可根据需要修改
            pub.publish(msg);
        })
        g.on('pedals-brake', function(val){
            msg.linear.x = val * - 5;   # 可根据需要修改
            pub.publish(msg);
        })
    })
}


if (require.main === module) {
    // Invoke Main Function
    g29_pub_node();
}

上述命令创建了名了 g29_pub_node 的 ROS node，可以将 g29 的操作转化成 /cmd_vel上的命令。

Donkey Car 与 PC 的连接

有了以上两个平台，现在需要配置 ROS 环境，实现两个平台之间的通讯。假设现在两个平台连接到同一局域网里，互相能 ping 通。

我们选择在 PC 端运行 ROS master, 小车远程连到 PC。

PC 平台：
在 ~/.bashrc 文件末尾添加如下变量定义：
```
export ROS_IP=
```
然后重开 terminal ，启动 ROS，运行刚才编写的 g29_pub.js 文件。这样就设置好了 g29 方向盘到 /cmd_vel 这一部分的连接。可以通过 rostopic echo /cmd_vel 查看一下方向盘转动时是否有数据输出。
小车平台
类似地，要在 ~/.bashrc 文件末尾添加如下变量定义：
```
export ROS_IP=
export ROS_MASTER_URI=http://:11311
```
这里不仅要设置本地 IP，还要设置要远程连接的 ROS master 的 IP。

设置好以上内容之后，运行如下命令：
```
 roslaunch donkey_car keyboard_demo.launch
```
这就设置好了从 /cmv_vel 到小车这一部分的连接。

如果一切顺利，应该可以通过 g29 方向盘远程控制 Donkey Car 运行了。

基于 ROS 的 Donkey Car 远程控制

引言

小车平台上的安装

安装 raspbian 操作系统

安装 ROS

安装 Donkey Car 相关的 ROS package

PC 端安装

安装 ROS

转换 g29 操作指令到 ros topic

Donkey Car 与 PC 的连接

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