基于英特尔开发板开发ROS应用

作者：

刘思宇 北京理工大学

随着智能机器人技术的快速发展，越来越多的研究者和开发者开始涉足这一充满挑战和机遇的领域。哪吒开发板，作为一款高性能的机器人开发平台，凭借其强大的计算能力和丰富的接口，为机器人爱好者和专业人士提供了一个理想的实验和开发环境。

本文旨在为读者提供一个全面的指南，从哪吒开发板的简介开始，逐步引导读者完成Ubuntu 20.04操作系统的安装，ROS1（Robot Operating System）的部署，以及最终的ROS应用开发和部署过程。

1哪吒开发板简介

哪吒开发板以其信用卡大小的紧凑设计和强大的计算能力，成为了机器人开发领域的一大亮点。它搭载了高性能的处理器，配备了足够的内存和存储空间，支持多种操作系统，包括但不限于Windows和Linux。此外，哪吒开发板还提供了丰富的扩展接口，包括GPIO、USB、HDMI等，使其能够轻松连接各种传感器和执行器，满足不同层次的开发需求。

以下是哪吒开发板的主要特点：

1. 处理器：搭载Intel N97处理器（Alder Lake-N），提供高达3.6GHz的时钟频率和12W的TDP，确保了强大的处理能力。

2. 图形处理：内置Intel UHD Graphics Gen12 GPU，支持高分辨率显示，为视觉处理和图形应用提供支持。

3. 内存与存储：

板载8GB LPDDR5内存，提供高速的数据访问能力。

64GB eMMC存储，为操作系统和应用程序提供足够的存储空间。

4. 接口丰富：

1个Gigabit LAN端口，用于有线网络连接。

3个USB 3.2 Gen 2 Type-A端口，2个10针USB 2.0/UART端口，提供多种外设连接选项。

1个HDMI 1.4b端口，支持高清视频输出。

5. 扩展能力：配备40针GPIO连接器，支持PWM、UART、I2C、I2S、SPI和ADC等多种功能，便于连接各种传感器和执行器。

6. 安全性：板载TPM 2.0，提供硬件级别的安全保障。

7. 电源设计：支持12V直流输入，5A电流，确保稳定的电源供应。

8. 操作系统支持：兼容Windows和Linux操作系统，为开发者提供了灵活的选择。

9. 尺寸：信用卡大小的尺寸（85 x 56mm），便于集成到各种设备中。

10. 散热设计：采用无风扇散热设计，适合于对噪音敏感或空间受限的应用场景。

哪吒开发板的这些特性使其成为教育、物联网、数字标牌和机器人等领域的理想选择。它的高性能和灵活性为开发者提供了广阔的创新空间。

2设备开箱

开发板以快递形式发货，很快就收到了。

打开之后，内部包括一块开发板、供电电源和无线网卡。

插上电源、显示器、鼠标键盘之后，系统直接开机。

开发板预装了Win11系统，账号和密码一致。

进入系统之后，稍微体验了一下系统，比较流畅。优化做的还是比较好的。唯一不足的是，内存空间比较小，必须搭配外置存储设备使用。

3Unbutu20.04系统安装

要在哪吒开发板上安装Ubuntu 20.04系统，请按照以下步骤操作：

1. 下载Ubuntu 20.04 ISO文件：

访问Ubuntu官方下载页面，选择适合您设备的Ubuntu版本，点击下载按钮。下载完成后，保存ISO文件到您的电脑上。

2. 创建可启动USB驱动器：

准备一个4GB或更大的USB驱动器，并备份所有数据，因为创建启动盘的过程中会清除USB上的所有数据。

可以使用第三方工具如Rufus来创建可启动USB驱动器。

3. 启动安装程序：

将可启动USB插入哪吒开发板，重启设备，并进入BIOS设置，将启动顺序更改为从USB设备启动。

4. 开始安装过程：

启动后，您将看到“尝试Ubuntu”和“安装Ubuntu”的选项。选择“安装Ubuntu”开始安装过程。

如果您的电脑使用Intel RST（快速存储技术），您可能需要在BIOS菜单中禁用它才能继续安装。

5. 安装设置：

选择您的键盘布局，然后点击“继续”。

选择您的安装类型，可以选择“正常安装”或“最小安装”，并决定是否在安装过程中下载更新和第三方软件。

6. 分区：

选择“擦除磁盘并安装Ubuntu”以自动分区，或选择“其他选项”手动分区。

7. 位置和用户设置：

选择您的位置和时区，然后为系统创建用户账户和密码。

8. 完成安装：

确认安装设置无误后，点击“安装”开始安装过程。

安装完成后，系统会提示您重启设备。

4ROS1安装

在Ubuntu 20.04上安装ROS1（Noetic版本）的步骤如下：

1. 设置Ubuntu的软件和更新：

打开软件和更新设置，确保main、universe、restricted和multiverse选项被勾选，然后在下载源中选择一个中国的服务器以加快下载速度。

2. 添加ROS软件源：

使用以下命令添加ROS软件源：

 

sudo sh -c 'echo "deb http://packages.ros.org/ros/ubuntu $(lsb_release -sc) main" > /etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list'

 

如果网速慢，可以使用国内源，例如上海交大源：

 

sudo sh -c '. /etc/lsb-release && echo "deb http://mirrors.sjtug.sjtu.edu.cn/ros/ubuntu/ `lsb_release -cs` main" > /etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list'

 

3. 添加密钥：

使用以下命令添加ROS密钥：

 

sudo apt-key adv --keyserver 'hkp://keyserver.ubuntu.com:80' --recv-key C1CF6E31E6BADE8868B172B4F42ED6FBAB17C654

 

4. 更新软件包索引：

运行以下命令更新软件包列表：

 

sudo apt update

 

5. 安装ROS：

安装ROS Noetic桌面完整版：

 

sudo apt install ros-noetic-desktop-full

 

安装过程可能需要一段时间，耐心等待安装完成。

6. 设置环境变量：

将以下命令添加到~/.bashrc文件中，以便每次打开新的终端时自动加载ROS环境：

 

echo "source /opt/ros/noetic/setup.bash" >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc

 

7. 安装其他工具和依赖关系：

安装python3-rosdep、python3-rosinstall、python3-wstool和build-essential：

 

sudo apt install python3-rosdep python3-rosinstall python3-rosinstall-generator python3-wstool build-essential

 

8. 初始化rosdep：

初始化rosdep：

 

sudo rosdep init
rosdep update

 

如果rosdep初始化失败，可以尝试使用国内版的rosdepc。

9.  验证ROS安装：

运行roscore命令来验证ROS是否安装成功：

 

roscore

 

如果没有错误信息，表示ROS已成功安装。

5测试ROS

1. 测试turtlesim用例：

打开新的终端，运行turtlesim节点：

 

rosrun turtlesim turtlesim_node

 

再打开一个终端，使用键盘控制turtlesim：

 

rosrun turtlesim turtle_teleop_key

 

2. 启动roscore：

在一个新的终端中运行roscore，这是ROS系统的中心节点，必须运行才能进行其他操作。

 

roscore

 

3. 检查ROS环境：

在另一个终端中，运行printenv命令来查看当前的ROS环境变量设置。

 

printenv | grep ROS

 

4. 列出ROS节点：

使用rosnode命令列出当前活跃的节点。

 

rosnode list

 

5. 查看节点信息：

查看特定节点的详细信息，例如turtlesim_node。

 

rosnode info turtlesim_node

 

6. 检查ROS主题：

使用rostopic命令列出当前活跃的主题。

 

rostopic list

 

7. 查看主题消息：

订阅并查看turtlesim节点发布的turtle1/cmd_vel主题的消息。

 

rostopic echo /turtle1/cmd_vel

 

8. 发布测试消息：

尝试使用rostopic命令向turtle1/cmd_vel主题发布测试消息。

 

rostopic pub /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/Twist -r 10 -- '[geometry_msgs/Twist]' '{linear:  {x: 1.0, y: 0.0, z: 0.0}, angular: {x: 0.0, y: 0.0, z: 0.5}}'

 

9. 测试ROS服务：

如果turtlesim提供了任何服务，可以尝试列出并调用这些服务。例如，列出所有服务：

 

rosservice list

 

10. 测试ROS动作服务器：

如果turtlesim支持动作（actions），可以列出所有动作服务器并测试它们。首先，列出所有动作服务器：

 

rostopic list | grep '^/move'

 

然后，使用rostopic命令监听动作状态：

 

rostopic echo /turtle1/move_action/status

 

11. 使用RViz进行3D可视化：

如果安装了RViz，可以使用它来可视化ROS中的3D数据。启动RViz并配置它以显示turtlesim的3D模型。

 

rosrun rviz rviz

 

在RViz中，添加一个RobotModel显示项，并订阅/tf主题来查看机器人的3D模型。

12. 测试ROS参数：

检查turtlesim_node的参数：

 

rosparam list

 

获取特定参数的详细信息：

 

rosparam get /turtlesim_node/background_b

 

13. 测试ROS功能包：

安装并测试其他ROS功能包，如rospy_tutorials，来验证ROS的安装和功能。

 

rosrun rospy_tutorials rospy_tutorials.py

 

14. 测试网络功能：

如果您有多个机器或需要通过网络进行通信，测试ROS的网络功能，如使用roscd和roslaunch。

15. 查看系统日志：

使用dmesg或journalctl命令查看系统日志，以检查是否有与ROS相关的错误或警告。

确保在测试过程中，如果遇到任何问题，查看ROS社区文档或寻求技术支持。

6总结

在整个安装和测试过程中，我们成功地在哪吒开发板上安装了Ubuntu 20.04操作系统，并顺利安装了ROS1（Noetic）版本。通过一系列的测试用例，我们验证了ROS环境的正确配置和功能，包括节点管理、主题通信、服务调用以及动作服务器的测试。