Micro-ROS: Kết nối microcontroller với hệ sinh thái ROS 2

Micro-ROS là gì?

Micro-ROS đưa ROS 2 xuống thế giới microcontroller. Thay vì phải chạy ROS 2 trên Linux, bạn có thể tạo ROS 2 node trực tiếp trên ESP32, STM32, hoặc Arduino — những vi điều khiển chỉ có vài trăm KB RAM.

Micro-ROS sử dụng DDS-XRCE (DDS for eXtremely Resource Constrained Environments) — phiên bản rút gọn của DDS middleware mà ROS 2 dùng. Một micro-ROS agent chạy trên máy Linux làm cầu nối giữa microcontroller và hệ thống ROS 2.

Kiến trúc

┌──────────────────┐      Serial/WiFi/USB      ┌─────────────────┐
│  Microcontroller │ ◄──────────────────────► │  micro-ROS      │
│  (ESP32/STM32)   │      DDS-XRCE             │  Agent (Linux)  │
│  micro-ROS client│                            │                 │
└──────────────────┘                            └────────┬────────┘
                                                         │ DDS
                                                ┌────────▼────────┐
                                                │  ROS 2 System   │
                                                │  (Nav2, MoveIt) │
                                                └─────────────────┘

Cài đặt micro-ROS cho ESP32

1. Cài micro-ROS Agent

# Tạo ROS 2 workspace
mkdir -p ~/microros_ws/src && cd ~/microros_ws/src
git clone -b humble https://github.com/micro-ROS/micro_ros_setup.git
cd ~/microros_ws

colcon build
source install/setup.bash

# Tạo agent
ros2 run micro_ros_setup create_agent_ws.sh
ros2 run micro_ros_setup build_agent.sh

2. Firmware ESP32 với PlatformIO

; platformio.ini
[env:esp32]
platform = espressif32
board = esp32dev
framework = arduino
lib_deps =
    https://github.com/micro-ROS/micro_ros_platformio
board_microros_transport = wifi

3. Code ESP32 — Publish sensor data

#include <micro_ros_arduino.h>
#include <rcl/rcl.h>
#include <rclc/rclc.h>
#include <sensor_msgs/msg/imu.h>

rcl_publisher_t imu_publisher;
sensor_msgs__msg__Imu imu_msg;
rclc_executor_t executor;
rcl_timer_t timer;

void timer_callback(rcl_timer_t *timer, int64_t last_call_time) {
    // Đọc IMU (ví dụ MPU6050)
    imu_msg.linear_acceleration.x = read_accel_x();
    imu_msg.linear_acceleration.y = read_accel_y();
    imu_msg.linear_acceleration.z = read_accel_z();
    imu_msg.angular_velocity.x = read_gyro_x();
    imu_msg.angular_velocity.y = read_gyro_y();
    imu_msg.angular_velocity.z = read_gyro_z();

    // Publish lên topic /imu/data
    rcl_publish(&imu_publisher, &imu_msg, NULL);
}

void setup() {
    // Kết nối WiFi tới agent
    set_microros_wifi_transports("WIFI_SSID", "WIFI_PASS", "192.168.1.100", 8888);

    rcl_allocator_t allocator = rcl_get_default_allocator();
    rclc_support_t support;
    rclc_support_init(&support, 0, NULL, &allocator);

    rcl_node_t node;
    rclc_node_init_default(&node, "esp32_imu", "", &support);

    // Tạo publisher cho IMU data
    rclc_publisher_init_default(
        &imu_publisher, &node,
        ROSIDL_GET_MSG_TYPE_SUPPORT(sensor_msgs, msg, Imu),
        "/imu/data"
    );

    // Timer 100Hz
    rclc_timer_init_default(&timer, &support, RCL_MS_TO_NS(10), timer_callback);
    rclc_executor_init(&executor, &support.context, 1, &allocator);
    rclc_executor_add_timer(&executor, &timer);
}

void loop() {
    rclc_executor_spin_some(&executor, RCL_MS_TO_NS(10));
}

Subscribe lệnh điều khiển từ ROS 2

rcl_subscription_t cmd_subscriber;
geometry_msgs__msg__Twist cmd_msg;

void cmd_callback(const void *msgin) {
    const geometry_msgs__msg__Twist *msg = (const geometry_msgs__msg__Twist *)msgin;
    float linear = msg->linear.x;   // m/s
    float angular = msg->angular.z; // rad/s

    // Chuyển thành PWM cho motor
    int left_pwm = (int)((linear - angular * WHEEL_BASE / 2) * PWM_SCALE);
    int right_pwm = (int)((linear + angular * WHEEL_BASE / 2) * PWM_SCALE);
    set_motors(left_pwm, right_pwm);
}

Chạy Agent và kết nối

# Chạy agent qua WiFi (UDP)
ros2 run micro_ros_agent micro_ros_agent udp4 --port 8888

# Hoặc qua Serial
ros2 run micro_ros_agent micro_ros_agent serial --dev /dev/ttyUSB0

# Kiểm tra topic từ ESP32
ros2 topic list
ros2 topic echo /imu/data

MCU nào phù hợp?

Lưu ý quan trọng

1. Kết nối WiFi không ổn định — dùng Serial/USB cho ứng dụng safety-critical
2. Memory giới hạn — mỗi publisher/subscriber tiêu tốn ~2-5KB RAM, tính toán cẩn thận
3. Không có callback queue — spin_some phải được gọi thường xuyên, tránh blocking code
4. QoS phải match: QoS trên micro-ROS node phải tương thích với ROS 2 node bên Linux

Micro-ROS là cầu nối quan trọng giữa thế giới embedded và ROS 2, cho phép bạn xây dựng hệ thống robot hoàn chỉnh từ sensor ở tầng thấp nhất đến navigation với Nav2 ở tầng cao nhất, tất cả trong cùng một hệ sinh thái. Với Python và serial communication, bạn cũng có thể giao tiếp với microcontroller mà không cần micro-ROS.

Bài viết liên quan

• Giới thiệu ROS 2: Nền tảng lập trình robot thế hệ mới
• SLAM và Navigation: Cách robot tự định vị và di chuyển
• Triển khai ứng dụng IoT với Docker và Docker Compose