MQTT & micro-ROS：构建高效的机器人应用

EMQX

于 2024-07-17 12:24:37 发布

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分类专栏： emqx mqtt 工业物联网文章标签：机器人

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/emqx_broker/article/details/140491528

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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。