概要

ROS を用いた Arduino の制御方法や、その環境構築について解説していきます。
公式のページ：http://wiki.ros.org/rosserial_arduino/Tutorials/Arduino%20IDE%20Setup

説明すること

ROSでArduinoを制御するための環境構築方法
Arduinoに組み込むプログラムの内容

動作環境

Raspberry Pi 4 (4GB)
Ubuntu server 20.4LTS (64bit)
ROS Noetic
ELEGOO R3 UNO (Arduino互換ボード)

環境構築手順

Arduino IDE のインストール
依存パッケージのインストール
Arduinoライブラリのインストール
動作確認

1. Arduino IDE のインストール

1-1. インストール手順

下記サイトの『Linux ARM 64bits』から圧縮ファイルをダウンロード
https://www.arduino.cc/en/software
ダウンロードしたファイルをHOMEフォルダに展開
展開したフォルダ内の『install.sh』を実行
デスクトップに『Arduino IDE』のアイコンが作成される

1-2. 動作確認

まずはROSを絡めずに、Arduinoが問題なく動作するかを確認する。

Arduinoの11番ピンでLEDが光るように配線 (上図)
Raspberry Pi と Arduino を接続
ツール ⇒ ボードで対象ボードを設定
ツール ⇒ シリアルポート対象ポートを設定
Arduino IDE を起動し、下記ソースを記述
コンパイルし、マイコンボードに書き込む
LEDが点滅すればOK

void setup() {
  pinMode(11, OUTPUT);
}

void loop() {
    digitalWrite(11,HIGH);
    delay(100);
    digitalWrite(11,LOW);
    delay(100);
}

書き込み時にパーミッションエラーとなる場合、ユーザーを『dialout』グループに所属させる必要がある。

sudo usermod -a -G dialout <ユーザ名>

ここで動作しないなら、設定が間違っているかArduinoが壊れている。

2. ROS依存パッケージのインストール

ROS公式のページを見ると、インストール方法には2種類の方法がある。

apt によるインストール
ソースビルドによるインストール

本来は上記のどちらかでインストールできるはずだが、うまく動作しなかったため両方行った。

apt によるインストール

sudo apt install ros-noetic-rosserial-arduino
sudo apt install ros-noetic-rosserial

ソースビルドによるインストール

cd ~/catkin_ws/src
git clone https://github.com/ros-drivers/rosserial.git
cd ~/catkin_ws
catkin_make

※ 公式の方法でトラブル発生
上記のソースビルドの場合、公式では最後にcatkin_make installをしろと書いてある。
が、これを実行すると他パッケージのビルド関連が無効になってしまった。
catkin_make installは無くても動作するため、今回は省略している。

3. Arduinoライブラリのインストール

ライブラリ自体は『Arduino IDE』から取ってくる。(非公式？)

Arduino IDE を起動
スケッチ ⇒ ライブラリをインクルード ⇒ ライブラリを管理
『rosserial』と検索
Michael Furguson 氏の『Rosserial Arduino Library』のバージョン0.7.9をインストール
<ros.h> のインクルードが使用可能

参考ページ：https://answers.ros.org/question/361930/rosserial-arduino-compilation-error-no-cstring/

※ 公式の方法でエラー発生 (Noeticだけかも)
公式では下記方法でライブラリが作成されるが、本環境ではコンパイル時にエラーとなる。
もし上手くいかなかったら、『ros_lib』を削除し、上記の方法でやり直す。
参考までに。

cd Arduino/libraries
rm -rf ros_lib
rosrun rosserial_arduino make_libraries.py .

上記コマンドにより『ros_lib』が生成される。

4. 動作確認

上記までで一通りの動作環境が整ったので、実際に動作するかの確認を行う。

実装内容：PC操作でROSから信号を受け取ったときにLチカする

4-1. Arduino にプログラムを組み込む

下記コードをArduino IDEに記述し、マイコンボードに書き込む。

#include <ros.h>
#include <std_msgs/Empty.h>

ros::NodeHandle nh;

void messageCb( const std_msgs::Empty& toggle_msg) {
  digitalWrite(11, HIGH);
  delay(100);
  digitalWrite(11, LOW);
  delay(100);
}

ros::Subscriber<std_msgs::Empty> sub("toggle_led", &messageCb );

void setup(){
  pinMode(11, OUTPUT);
  digitalWrite(11, HIGH); 
  nh.initNode();
  nh.subscribe(sub);
}

void loop(){
  nh.spinOnce();
  delay(1);
}

4-2. ROSでの制御

ターミナルを3つ立ち上げ、それぞれ下記コマンドを実行。

1つ目：ROSマスターの起動

ターミナル1

roscore

2つ目：ROSシリアル通信の開始
最後の『/dev/ttyACM0』は各環境に合わせる。

ターミナル2

rosrun rosserial_python serial_node.py /dev/ttyACM0

3つ目：トピックを送信
コマンドを送信するたびにLEDが光る。

ターミナル3

rostopic pub toggle_led std_msgs/Empty --once

ここまで問題なく動作していればOK。
あとはArduinoに組み込むプログラムやROSのパブリッシャーを用意することで、自由に Arduino を制御することが可能となる。

Arduino内のサブスクライバー

Arduino に組み込むプログラムは、『ROSライクな記述ができる』だけであって、ROSとは記述方法が異なる。
が、だいたいは通常のパブリッシャー・サブスクライバーと同じように記述することになる。

上記で使用したコードを例に解説を行う。
PC内の ROS からトピックを受け取ってLチカするという事は、**『Arduino内ではサブスクライバーが実行されている』**と考えてもらいたい。

各コードの解説

ROSヘッダー、トピックの型のインクルード
ROSヘッダーは必須。
以降は使用するトピックに合わせて必要な分だけインクルードする。

#include <ros.h>
#include <std_msgs/Empty.h>

ROSノードハンドルの宣言
setup関数、loop関数の両方で使用するため、グローバル変数として宣言する。

ros::NodeHandle nh;

コールバック関数
トピックを受け取った時の動作内容をコールバック関数内に記載する。
普段 Arduino に記述している内容はここに書くことが多くなる。

void messageCb( const std_msgs::Empty& toggle_msg) {
  digitalWrite(11, HIGH);
  delay(100);
  digitalWrite(11, LOW);
  delay(100);
}

トピックとコールバック関数を紐付け
サブスクライバーに、上記で作成したコールバック関数とトピック名を紐付ける。
本家と異なり、サブスクライバー宣言時にトピックの型を指定する必要がある。
サブスクライブするトピックの名前や型を変更する場合、ここで指定する。

ros::Subscriber<std_msgs::Empty> sub("toggle_led", &messageCb );

setpu関数 (初期化)
Arduino 起動時に一度だけ実行される関数。
通常の Arduino の初期化コードに加え、ノードハンドルの初期化、サブスクライバーの追加を行う必要がある。

void setup(){
  pinMode(11, OUTPUT);
  digitalWrite(11, HIGH); 
  nh.initNode();
  nh.subscribe(sub);
}

loop関数 (無限ループ)
Arduino 起動中に繰り返される関数。
基本的にはコールバック関数を実行するためのnh.spinOnce();を記述するだけで良い。

void loop(){
  nh.spinOnce();
  delay(1);
}

参考ページ

http://wiki.ros.org/rosserial_arduino/Tutorials
https://qiita.com/nnn112358/items/059487952eb3f9a5489b