15、探索Unity在树莓派、ROS及移动传感器中的应用-优快云博客

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探索Unity在树莓派、ROS及移动传感器中的应用

1. 在树莓派上运行Unity项目

在树莓派上运行Unity项目有两种主要方法，下面将详细介绍。

1.1 Android方法

这种方法涉及一系列步骤，具体如下：
1. 准备工作 ：将SD卡插入装有Windows、Mac或Linux系统的计算机，使用Balena Etcher工具烧录Android闪存zip文件，然后初始化树莓派，完成设置和初始化操作。
2. 安装Unity 3D ：根据你的操作系统（Windows、Mac或Linux）在计算机上安装Unity 3D。
3. 项目构建 ：使用Unity构建一个项目。
4. 临时关闭项目 ：关闭当前项目，为后续操作做准备。
5. 重新打开项目 ：以Android自定义设置重新打开项目。点击“File”下的“build settings”，复制构建设置中的相关设置。然后点击“Build”生成APK文件，将该文件传输到树莓派并安装。可以通过adb命令（adb installs ）或使用U盘进行传输。安装完成后，从应用抽屉中运行应用。
6. 运行演示 ：在树莓派上运行Unity应用包括三个步骤，分别是应用安装并显示在应用抽屉中、应用在树莓派的Android系统中启动、应用在树莓派的Android系统中运行。

以下是该方法的流程图：

graph LR
    A[准备工作] --> B[安装Unity 3D]
    B --> C[项目构建]
    C --> D[临时关闭项目]
    D --> E[重新打开项目]
    E --> F[生成并传输APK文件]
    F --> G[安装并运行应用]

1.2 Windows 10 IoT Core方法

这种方法虽然不能让工作变得更轻松，但能提高兼容性。Windows 10 IoT是Windows 10产品家族的一员，专为物联网应用而设计。使用该操作系统运行Unity应用有以下显著优势：
1. 它对树莓派硬件提供原生支持，而Android是从x86项目移植过来的。
2. 支持UWP应用，这是微软的通用Windows平台应用系统，允许一个应用在四种主要架构（x86、x64、ARM和ARM64）的所有Windows设备上构建和运行。不过在测试中，ARM64版本的应用无法在树莓派上安装，因此测试使用的是ARM版本或32位的ARM架构。

此方法所需的设备、硬件和软件如下表所示：
|所需硬件|所需软件|
| ---- | ---- |
|树莓派|Windows 10 IoT FFU Image（从https://download.microsoft.com/download/9/6/2/9629C69B - 02B8 - 4A82 - A4C8 - 860D6E880C66/16299.15.170928 - 1534.rs3_release_amd64fre_IOTCORE_RPi.iso下载）|
|显示器|Unity 3D（从https://unity3d.com/get - unity/download下载）|
|SD卡|Windows 10 IoT Dashboard（从https://go.microsoft.com/fwlink/?LinkID = 708576下载）|
|USB读卡器|Android平台工具（ADB TOOLS）|
|装有Windows系统的计算机（不支持Mac和Linux）| |

安装步骤如下：
1. 在线简单方法 ：安装并打开Windows 10 IoT Dashboard，从选项菜单中选择RPi 2/3，设置用户名和密码，连接到互联网。软件将自动下载FFU包并安装到MicroSD卡上。
2. 离线方法 ：
- 下载并挂载ISO文件（16299.15.170928 - 1534.rs3_release_amd64fre_IOTCORE_RPi.iso）。
- 使用WinRAR或类似的解压缩软件打开挂载的文件夹或提取ISO文件，安装ISO中的MSI包。
- 安装完成后，FFU离线文件将位于C:\Program Files(x86)\Microsoft IoT。为了方便，可以将该文件移动到其他位置。安装并打开Windows 10 IoT Dashboard，选择“Custom FFU Package”，设置FFU文件的位置，将IoT Core OS安装到SD卡上。
3. 部署步骤 ：将SD卡插入树莓派并通电，等待其启动。在设置过程中最好连接到网络，也可以稍后通过设置进行连接。系统启动后，记录其IP地址。可以在首次设置时通过以太网或WiFi连接获取IP地址，也可以从设置菜单或设备门户（使用设备的IP地址和端口8080，前提是已连接到网络）获取。
4. APPX构建步骤 ：在真实的Windows机器上的Unity 3D编辑器中，从构建设置中构建UWP应用。应用播放器设置应符合特定要求。构建完成后，Microsoft Visual Studio将自动打开，需要将应用导入并打包成APPX文件。构建UWP应用包的前提条件包括安装Windows 10 SDK（可在VS安装程序中安装）、Visual Studio C++开发工具（可在VS安装程序中安装）、UWP应用开发工具（可在Unity Hub/VS安装程序中安装）。打开或导入Unity项目构建后生成的 .sln项目文件，构建解决方案，完成后发布包。
5. APP旁加载步骤 ：在主Windows机器上打开浏览器，访问 :<8080 (PORT)>，打开树莓派的设备门户。选择“Apps → Apps manager”，上传并安装之前导出的appx文件。对于示例应用，需要安装两个应用，首先是依赖应用包（位于VS导出文件夹的Dependencies文件夹内的ARM文件夹中的Microsoft.VCLibs.ARM.Debug.14.00.appx文件），安装该文件后，再选择并安装主应用。安装开始后，可以看到安装进度，安装完成后会显示“Package Successfully registered”消息。
6. APP运行步骤 *：在树莓派上使用鼠标启动应用，依次点击“Start → Apps → APP NAME”运行新安装的应用。应用的运行时间取决于其大小和复杂度，如果应用中有树莓派无法处理的内容，可能会导致应用崩溃。

2. Unity与ROS桥接

ROS（机器人操作系统）是一个开源的元操作系统，为机器人提供了硬件抽象、低级设备控制、常用功能实现、进程间消息传递和包管理等服务。它是一个灵活的框架，旨在简化在各种机器人平台上创建复杂而强大的机器人行为。

要使用Unity与ROS进行桥接，需要完成以下步骤：

2.1 创建ROS包

为了使用ROS，需要创建一个ROS包。可以按照以下步骤操作：
1. 打开一个新的终端（按Ctrl + Alt + T），输入以下四个命令：
|序号|命令|
| ---- | ---- |
|1|cd ~/catkin_ws/src|
|2|catkin_create_pkg beginner_tutorials std_msgs rospy roscpp|
|3|catkin_make|
|4|~/catkin_ws/devel/setup.bash|

输入这些命令后，包就可以开始使用了。接下来，需要创建一个发布者节点来与ROS进行通信。

2.2 编写发布者节点

为了与ROS进行通信，需要创建一个发布者节点。具体步骤如下：
1. 打开一个新的终端（按Ctrl + Alt + T），输入命令“cd catkin_ws/src/beginner_tutorials”并按回车键。
2. 输入命令“mkdir scripts”创建一个名为“scripts”的目录。
3. 输入命令“cd scripts”进入该目录。
4. 从互联网下载文件，输入命令“wget https://raw.github.com/ros/ros_tutorials/kinetic - devel/rospy_tutorials/001_talker_listener/talker.py”。
5. 使文件可执行，输入命令“chmod +x talker.py”。
6. 从资源管理器中打开脚本，将源代码替换为以下内容并保存：

#!/usr/bin/env python
# Software License Agreement (BSD License)
#
# Copyright (c) 2008, Willow Garage, Inc.
# All rights reserved.
#
# Redistribution and use in source and binary forms, with or without
# modification, are permitted provided that the following conditions
# are met:
#
#  * Redistributions of source code must retain the above copyright
#    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
#  * Redistributions in binary form must reproduce the above
#    copyright notice, this list of conditions and the following
#    disclaimer in the documentation and/or other materials provided
#    with the distribution.
#  * Neither the name of Willow Garage, Inc. nor the names of its
#    contributors may be used to endorse or promote products derived
#    from this software without specific prior written permission.
#
# THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE COPYRIGHT HOLDERS AND CONTRIBUTORS
# "AS IS" AND ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT
# LIMITED TO, THE IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS
# FOR A PARTICULAR PURPOSE ARE DISCLAIMED. IN NO EVENT SHALL THE
# COPYRIGHT OWNER OR CONTRIBUTORS BE LIABLE FOR ANY DIRECT, INDIRECT,
# INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL DAMAGES (INCLUDING,
# BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS OR SERVICES;
# LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION) HOWEVER
# CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
# LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN
# ANY WAY OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE
# POSSIBILITY OF SUCH DAMAGE.
#
# Revision $Id$
## Simple talker demo that published std_msgs/Strings messages
## to the ’chatter’ topic
import rospy
#from std_msgs.msg import Float64 # from package.[msg/srv] import ["msg"/"srv"]
from geometry_msgs.msg import Pose
pose_msg = Pose()
pose_msg.orientation.x = 0
pose_msg.orientation.y = 0
pose_msg.orientation.z = 0
pose_msg.orientation.w = 1
def talker():
    #pub = rospy.Publisher(’data_topic’, Float64, queue_size=10) # TOPIC
    pub = rospy.Publisher(’chatter_’, Pose, queue_size=10) # TOPIC
    rospy.init_node(’talker’, anonymous=True)
    rate = rospy.Rate(10) # 10hz
    k=0.2
    while not rospy.is_shutdown():
        #hello_str = "hello world %s" % k
        variable = k
        #pub.publish(variable)
        pose_msg.position.x = -k/1.5
        pose_msg.position.y = k/2
        pose_msg.position.z = k/3
        pub.publish(pose_msg)
        #rospy.loginfo(’Envio: %s’, variable)
        rospy.loginfo(’SEND DATA: \n%s’, pose_msg)
        k=k+0.1
        rate.sleep()
if __name__ == ’__main__’:
    try:
        talker()
    except rospy.ROSInterruptException:
        pass

2.3 创建Unity项目

创建一个新的3D Unity项目并打开，在项目标签下方的搜索框中输入ROS#。
在检查器标签中找到“Open Asset Store”按钮并点击，在资产商店标签中找到相应资产，滚动并点击“import”按钮导入资产。
从Hierarchy标签中创建一个空的游戏对象，将其重命名为“ROS CONNECTOR”。在检查器标签中添加“Ros Connector”和“Pose Stamped Subscriber”两个组件。
打开一个终端（按Ctrl + Alt + T），输入命令“hostname -I”检查主机的IP地址。将该IP地址粘贴到“Ros Connector (Script)”组件的“Ros Bridge Server URL”框中，将“Pose Stamped Subscriber”的主题重命名为“chatter_”，并在检查器标签中更改“Serializer Newtonsoft_JSON”。
打开三个终端：
- 在终端1中，输入命令“roslaunch rosbridge_server rosbridge_websocket.launch”并按回车键。
- 在终端2中，输入命令“cd ~/catkin_ws”，接着输入命令“source. /devel/setup.bash”，最后输入命令“rosrun beginner_tutorials talker.py”。
- 在终端3中，输入命令“rosrun rqt_graph rqt_graph”。此时可以在RQT Graph窗口中看到发布的节点。返回Unity编辑器窗口，点击播放按钮，即可看到Unity与ROS桥接成功。打开RQT Graph窗口，可以看到“chatter”连接到“talker”和“ROS Bridge WebSocket”。

以下是该过程的流程图：

graph LR
    A[创建ROS包] --> B[编写发布者节点]
    B --> C[创建Unity项目]
    C --> D[配置Unity项目]
    D --> E[启动相关服务和程序]
    E --> F[实现桥接]

3. Unity与移动传感器结合

如今，在移动平台上开发和运行游戏的需求日益增长。同时，移动设备作为嵌入式系统，可以帮助获取和分析各种数据。移动设备通常配备了加速度计和陀螺仪传感器。加速度计用于测量非重力加速度，例如用于感知手机的方向；陀螺仪则利用地球重力来确定方向，通过跟踪旋转或扭转来为加速度计提供的信息增加额外维度。加速度计测量线性运动的加速度，而陀螺仪测量角旋转速度。两者的比较如下表所示：
|比较项|加速度计|陀螺仪|
| ---- | ---- | ---- |
|功能|感知线性运动；旋转性能较差；适合倾斜检测|测量各种类型的旋转；不适合检测运动|
|信噪比|较低|较高|
|角速度测量|无法测量围绕其运动轴的旋转|可以测量角速度|

通过结合Unity与这些移动传感器，可以开发出各种需要运动感应的游戏和应用，为用户带来更加丰富的交互体验。例如，在一些虚拟现实游戏中，可以利用加速度计和陀螺仪来实现更加真实的视角控制和动作反馈。

综上所述，Unity在树莓派、ROS和移动传感器等领域都有广泛的应用前景。通过掌握上述方法和技术，可以充分发挥Unity的优势，开发出更加创新和实用的应用程序。无论是在机器人仿真、移动游戏开发还是物联网应用中，Unity都能提供强大的支持。

探索Unity在树莓派、ROS及移动传感器中的应用

4. 加速度计和陀螺仪在Unity中的应用示例

在Unity中结合加速度计和陀螺仪传感器可以实现许多有趣的功能，下面为你详细介绍一个简单的示例，展示如何利用这两个传感器来控制Unity场景中物体的运动。

4.1 创建Unity项目

首先，打开Unity，创建一个新的3D项目。在场景中创建一个简单的物体，例如一个立方体，作为我们要控制的对象。

4.2 编写脚本

在Unity的项目中创建一个新的C#脚本，命名为 SensorController.cs 。以下是该脚本的代码：

using UnityEngine;

public class SensorController : MonoBehaviour
{
    public float speed = 10f;

    void Update()
    {
        // 获取加速度计数据
        Vector3 acceleration = Input.acceleration;

        // 获取陀螺仪数据
        Quaternion gyro = Input.gyro.attitude;

        // 根据加速度计数据移动物体
        transform.Translate(acceleration.x * speed * Time.deltaTime,
                            acceleration.y * speed * Time.deltaTime,
                            acceleration.z * speed * Time.deltaTime);

        // 根据陀螺仪数据旋转物体
        transform.rotation = gyro;
    }
}

在上述代码中，我们在 Update 方法中获取了加速度计和陀螺仪的数据。加速度计数据用于控制物体的移动，而陀螺仪数据用于控制物体的旋转。

4.3 应用脚本

将编写好的 SensorController.cs 脚本挂载到之前创建的立方体对象上。在Unity的Inspector面板中，你可以调整 speed 参数来控制物体的移动速度。

4.4 测试项目

将项目部署到支持加速度计和陀螺仪的移动设备上（如手机），运行项目。你会发现当你移动或旋转手机时，场景中的立方体也会相应地移动和旋转。

5. 常见问题及解决方法

在使用Unity进行树莓派开发、与ROS桥接以及结合移动传感器的过程中，可能会遇到一些常见问题。以下是一些问题及对应的解决方法：

问题描述	解决方法
在树莓派上安装Unity项目时，APK文件无法安装	检查树莓派的Android系统版本是否兼容，确保APK文件的架构与树莓派硬件架构一致。也可以尝试使用不同的安装方式，如通过adb命令或U盘传输。
在使用Windows 10 IoT Core方法时，APPX文件安装失败	检查树莓派的网络连接是否正常，确保所有依赖项都已正确安装。同时，确认APPX文件的架构为ARM版本（因为ARM64版本可能无法安装）。
在Unity与ROS桥接时，无法连接到ROS Bridge	检查主机的IP地址是否正确配置，确保ROS Bridge Server已正常启动。可以通过在终端中运行 `roslaunch rosbridge_server rosbridge_websocket.launch` 来启动服务。
在使用移动传感器时，数据不准确	确保移动设备的传感器正常工作，可以在设备的设置中进行传感器校准。同时，检查Unity项目中脚本的逻辑是否正确。

6. 总结与展望

通过以上内容，我们详细介绍了在树莓派上运行Unity项目的两种方法（Android方法和Windows 10 IoT Core方法），以及Unity与ROS桥接和与移动传感器结合的具体步骤和示例。这些技术的结合为开发人员提供了更多的可能性，无论是在机器人仿真、移动游戏开发还是物联网应用中，都能发挥重要作用。

未来，随着技术的不断发展，我们可以期待更多的创新应用。例如，在机器人领域，可以利用Unity的强大图形渲染能力和ROS的分布式计算能力，开发出更加智能、逼真的机器人仿真系统。在移动应用方面，可以结合增强现实（AR）和虚拟现实（VR）技术，为用户带来更加沉浸式的体验。同时，随着物联网的普及，Unity与各种传感器的结合也将更加紧密，为智能家居、智能交通等领域的发展提供支持。

总之，掌握Unity在这些领域的应用技术，将有助于开发人员在未来的项目中创造出更加优秀的作品。希望本文能为你提供一些有用的参考和启示，让你在开发过程中少走弯路。

以下是整个过程的一个综合流程图：

graph LR
    A[树莓派运行Unity项目] --> B[Android方法]
    A --> C[Windows 10 IoT Core方法]
    D[Unity与ROS桥接] --> E[创建ROS包]
    E --> F[编写发布者节点]
    F --> G[创建Unity项目]
    H[Unity与移动传感器结合] --> I[创建Unity项目]
    I --> J[编写脚本] 
    J --> K[应用脚本]
    K --> L[测试项目]

通过这个流程图，我们可以更清晰地看到各个部分之间的关系和整体的流程。希望你在实践中能够顺利应用这些技术，开发出令人满意的项目。