04. Arduino UNO Q ROS 2 双核通信与话题控制

开发讨论
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04. Arduino UNO Q ROS 2 双核通信与话题控制

目录

1 项目介绍

1.1 这是什么项目

本项目演示了如何将 Arduino UNO Q 变成一台支持 ROS 2 的嵌入式机器人控制器。通过 ROS 2 的话题发布/订阅机制，你可以用一条命令行远程控制 UNO Q 的板载 LED 亮灭。

虽是"点灯"，但走通的链路是：ROS 2 话题 → Docker 容器 → Bridge RPC → STM32 微控制器 → 硬件 GPIO。这套架构可以无缝扩展到电机控制、传感器数据上报、多节点协同等真实机器人场景。

1.2 项目亮点

亮点 说明
ROS 2 原生支持 UNO Q 直接运行 ROS 2 Jazzy，可作为标准 ROS 2 节点加入机器人系统
双核协同架构 Qualcomm MPU 跑 Linux + ROS，STM32 MCU 管硬件 I/O，分工明确
Docker 容器化部署 打包完整 ROS 2 环境，即开即用，不污染宿主机
Bridge RPC 桥接 Linux 侧通过 RouterBridge RPC 直接调用 MCU 函数，毫秒级响应
话题驱动控制 任何 ROS 2 节点都可以发布 /led_status 话题来控制 LED，解耦灵活
可扩展性强 架构支持添加更多 RPC 函数（舵机、传感器、PWM），不改动核心框架

1.3 为什么用 Docker

UNO Q 的 Linux 环境是精简版 Debian，没有 sudo、没有 pip3，无法直接安装 ROS 2 全家桶。Docker 容器内是完整的 Ubuntu 系统，可以自由安装任何依赖。镜像构建一次，后续启动只需两秒。

2 项目实操

2.1 实验简介

本节将一步步完成 ROS 2 环境的搭建和 LED 远程控制。你需要准备：

  • Arduino UNO Q 开发板 × 1（已连接 WiFi）
  • 电脑 × 1（通过 SSH 连接 UNO Q）
  • UNO Q 已初始化 Linux 环境（Debian 13，Docker 已预装）

提示： 首次构建 Docker 镜像需要下载约 1~2GB 数据，耗时约 8~30 分钟。请确保 UNO Q 网络畅通，磁盘可用空间 > 4GB。国内用户需要配置 Docker 镜像源（教程中已处理）。

2.2 环境检查

SSH 登录 UNO Q，确认环境就绪：

ssh arduino@192.168.x.x

检查三个关键条件：

uname -a              # 查看内核版本。UNO Q 必须 ≥ 6.x，否则 Docker 跑不了。
docker --version      # 查看 Docker 有没有装。UNO Q 出厂自带，如果没有说明 Linux 环境没初始化。
df -h /               # 查看磁盘还剩多少。Avail 低于 4GB 就装不下 ROS 镜像了。

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2.3 克隆项目并修复镜像源

进入 App Lab 项目目录，克隆项目：

cd ~/ArduinoApps
git clone https://github.com/miguelgonrod/ros_arduino_uno_Q.git
cd ros_arduino_uno_Q

关键步骤： 国内网络无法直接访问 Docker Hub，必须将镜像源改为 DaoCloud。

sed -i 's|docker.io/ros:jazzy-ros-base|docker.m.daocloud.io/ros:jazzy-ros-base|' python/Dockerfile
head -1 python/Dockerfile   # 确认已改为 docker.m.daocloud.io

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2.4 烧录固件并构建镜像

运行一键脚本，自动完成固件烧录和镜像构建：

chmod +x run.sh
./run.sh

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镜像构建完成

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2.5 启动 ROS 2 环境

注意
在编译构建好之后就自动启动了，当用户是第一次构建时且构建成功则可以直接到步骤二；

步骤一：启动容器（第二次及以后打开时启动容器）

docker rm -f ros_jazzy_container 2>/dev/null
docker run -d --net=host --name ros_jazzy_container \
  -v /var/run/arduino-router.sock:/var/run/arduino-router.sock \
  ros_jazzy_ws tail -f /dev/null

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步骤二：启动 ROS 2 节点

（1）第一次构建时启动节点：

ros2 run ros_led led

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（2）第二次及以后启动节点：

docker exec -d ros_jazzy_container bash -c \
  "source /opt/ros/jazzy/setup.bash && \
   source /ros2_ws/install/setup.bash && \
   ros2 run ros_led led > /tmp/ros_node.log 2>&1"

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2.6 发送话题控制 LED

注意：需要重开一个窗口

# LED 亮
docker exec ros_jazzy_container bash -c \
  'source /opt/ros/jazzy/setup.bash && \
   ros2 topic pub /led_status std_msgs/msg/Bool "{data: true}" --once'

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# LED 灭
docker exec ros_jazzy_container bash -c \
  'source /opt/ros/jazzy/setup.bash && \
   ros2 topic pub /led_status std_msgs/msg/Bool "{data: false}" --once'

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注意： UNO Q 板载 LED 是低电平有效（Active Low）。data: true → LOW → LED 亮；data: false → HIGH → LED 灭。这与标准 Arduino 相反。

3 运行效果

发布消息后在终端打印LED状态和板载LED的亮灭

亮灯

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灭灯

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4 项目技术介绍

4.1 系统架构

UNO Q 采用双处理器架构，本项目的通信链路如下：

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数据流步骤：

  1. 用户执行 ros2 topic pub /led_status std_msgs/msg/Bool "{data: true}"
  2. ROS 2 DDS 发现协议将消息发送到容器内的 led.py 节点
  3. led.py 的 listener_callback() 被触发，执行 Bridge.call("set_led_state", True)
  4. Bridge 模块通过 Unix Socket（/var/run/arduino-router.sock）发送 MsgPack-RPC 请求
  5. RouterBridge 服务将 RPC 请求转发给 STM32 MCU
  6. MCU 执行 set_led_state(True) → digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW) → LED 亮

4.2 双核分工

处理器 角色 承担任务
Qualcomm MPU “大脑” 运行 Linux + Docker + ROS 2，处理通信协议、话题订阅
STM32U585 MCU “肢体” 控制 GPIO 等硬件 I/O，执行 RPC 函数，响应实时指令

这种分工是嵌入式机器人开发的标准模式：MPU 负责"想"，MCU 负责"做"。

4.3 Bridge RPC 通信机制

UNO Q 的 RouterBridge 提供了 Linux ↔ MCU 的 RPC 通信通道。通信基于 MsgPack 二进制协议，通过 Unix Socket 传输。

MCU 侧（注册函数）：

#include "Arduino_RouterBridge.h"

void setup() {
  Bridge.begin();
  Bridge.provide("set_led_state", set_led_state);  // 注册 RPC 函数
}

void set_led_state(bool state) {
  digitalWrite(LED_BUILTIN, state ? LOW : HIGH);
}
代码 作用
Bridge.begin() 初始化 RouterBridge 通信
Bridge.provide(name, func) 将 C++ 函数注册为 RPC 服务，供 Linux 侧远程调用

Linux 侧（调用函数）：

from ros_led.app_utils import Bridge
from std_msgs.msg import Bool

class MyRos2Node(Node):
    def __init__(self):
        self.subscription = self.create_subscription(
            Bool, 'led_status', self.listener_callback, 10)

    def listener_callback(self, msg):
        Bridge.call("set_led_state", msg.data)  # RPC 调用 MCU
代码 作用
create_subscription(Bool, 'led_status', ...) 订阅 /led_status 话题，消息类型为 Bool
Bridge.call("set_led_state", msg.data) 通过 RPC 调用 MCU 上的同名函数

4.4 Dockerfile 解析

FROM docker.m.daocloud.io/ros:jazzy-ros-base    # 基础镜像：ROS 2 Jazzy
RUN apt-get install tmux python3-pip             # 装工具
RUN pip install msgpack watchdog                 # 装 Python 依赖
COPY ./src /ros2_ws/src                          # 复制 ROS 2 包源码
RUN colcon build                                 # 编译 ROS 2 包

4.5 ROS 2 话题通信

概念 说明 本项目中的实例
Node（节点） 独立的 ROS 2 进程 ros_led_node（led.py）
Topic（话题） 节点间通信的通道 /led_status
Message（消息） 话题中传输的数据 std_msgs/Bool（True/False）
Publisher（发布者） 向话题发送消息的节点 你的 ros2 topic pub 命令
Subscriber（订阅者） 从话题接收消息的节点 ros_led_node
文件 运行位置 语言 作用
sketch/sketch.ino STM32 MCU C++ 注册 set_led_state RPC 函数
python/src/ros_led/ros_led/led.py Docker 容器 Python ROS 2 节点，订阅话题并调用 RPC
python/Dockerfile 构建时 Docker 定义容器环境的构建步骤
python/src/ros_led/setup.py 构建时 Python 注册 led 可执行入口

附录：ROS 2 在机器人开发中的意义

本项目的核心价值不在于"点灯"本身，而在于验证了 UNO Q 作为 ROS 2 原生边缘节点的可行性。基于此架构可以扩展：

  • 传感器数据上报：I2C/SPI 传感器 → MCU 读数 → Bridge RPC → ROS 2 话题发布
  • 执行器控制：ROS 2 话题 → Bridge RPC → MCU PWM → 舵机/电机
  • 多节点协同：多个 ROS 2 节点在容器内并行运行，通过话题交换数据
  • 跨设备通信：UNO Q 作为 ROS 2 节点，与电脑上的 SLAM、导航等节点无缝通信

这为 UNO Q 进入现代机器人开发生态铺平了道路。