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RaspberryPi4上にESP32用のmicro-ROS開発環境を作る

2021/09/12に公開

Raspberry Pi

はじめに

この記事は、RaspberryPi4 に ESP32 用の micro-ROS 開発環境を構築する手順の備忘録です。

参考

ハードウェア

RaspberryPi4 Model B (4GB RAM)
32GB micro SD
M5StickC Plus (ESP32-PICO-D4)

micro-ROS 関連のライブラリ

micro_ros_arduino
- Arduino IDE や Arduino CLI 用の micro-ROS ライブラリです。
- 今回は使用しません。
micro_ros_espidf_component
- ESP-IDF 用の micro-ROS コンポーネントです。
- 今回は使用しません。
micro_ros_setup
- micro-ROSアプリをビルドするための環境をセットアップするツールと、micro-ROSアプリをビルドするツールを提供する ROS2 パッケージです。
- 今回はこれを使用します。

RaspberryPi4 のセットアップ

How to install Ubuntu Server on your Raspberry Pi を参考にセットアップします。

micro SD に Raspberry Pi 4 用の Ubuntu 20.04 (64-bit) のイメージを書き込みます。
- Raspberry Pi Imager を使って直接 micro SD に書き込むか、Ubuntu の公式ページからイメージをダウンロードした後 balena Etcher 等のソフトを使って micro SD に書き込みます。

micro SD に書き込まれたファイルの中から network-config を開き、固定 IP アドレスを設定します。

ethernets:
  eth0:
    addresses:
      - 192.168.x.x/24
    gateway4: 192.168.x.1
    nameservers:
      addresses: [192.168.x.x]
    optional: true

HDMI ディスプレイ、キーボード、LANケーブルを接続して RaspberryPi4 を起動します。
ログインします。デフォルトユーザー名は ubuntu、初回パスワードは ubuntu です。ログイン後すぐにパスワードの変更を求められるので設定します。
デスクトップ環境をインストールします。Ubuntu Desktops on the Pi によると、Ubuntuの標準である ubuntu-desktop は少し重いものの一応動くそうです。
```
$ sudo apt install
$ sudo apt upgrade
$ sudo apt install ubuntu-desktop
$ sudo reboot
```
デスクトップ起動後、ネットワークが Wired Unmanaged になっていることがあります。

この場合、/etc/netplan/50-cloud-init.yaml に renderer: NetworkManager を追加して以下のコマンドを実行します。（参考 No wired connection - Wired unmanaged ubuntu 18.04）
```
$ sudo netplan apply
```

ROS2 Foxy のインストール

Installing ROS 2 via Debian Packages の手順通りに ROS2 Foxy をインストールします（具体的な手順は省略します）。

ROS2 Foxy のインストールが終わったら、以下のコマンドで rosdep と colcon をインストールします。

$ sudo apt install python3-rosdep
$ sudo rosdep init
$ rosdep update

$ sudo apt install python3-colcon-common-extensions

ESP32 用の Toolchain のビルド

ESP32 のソースコードのコンパイルには専用の toolchain が必要です。本来であれば Espressif が提供するビルド済みのバイナリを利用しますが、本記事執筆時点では RaspberryPi4 上で利用できるバイナリが無いため自分でビルドします。

Setup Linux Toolchain from Scratch を参考にセットアップします。

依存パッケージをインストールします。

$ sudo apt-get install git wget libncurses-dev flex bison gperf python3 python3-pip python3-setuptools python3-serial python3-cryptography python3-future python3-pyparsing python3-pyelftools cmake ninja-build ccache libffi-dev libssl-dev dfu-util libusb-1.0-0
$ sudo apt-get install gawk gperf grep gettext python python-dev automake bison flex texinfo help2man libtool libtool-bin make

toolchain ビルド作業用のディレクトリを作成します。
```
mkdir -p ~/esp
cd ~/esp
```
toolchain をソースからビルドします。
なお、ここで micro_ros_setup と互換性のあるバージョンを選択しないと後々問題が置きます。本記事執筆時点では、micro_ros_setup は ESP-IDF v4.1 を利用する仕様になっており、ESP-IDF v4.1 は esp-2020r2 というバージョンの toolchain を必要としています。
```
$ git clone https://github.com/espressif/crosstool-NG.git
$ cd crosstool-NG
$ git checkout esp-2020r2 # 適切なタグを選択
$ git submodule update --init
$ ./bootstrap && ./configure --enable-local && make
$ ./ct-ng xtensa-esp32-elf
$ ./ct-ng build
$ chmod -R u+w builds/xtensa-esp32-elf
```
- ./ct-ng build は 160 分ほどかかります。
- [ERROR] Don't set LD_LIBRARY_PATH. It screws up the build. というエラーが出た場合は $ unset LD_LIBRARY_PATH を実行してください。
- [ERROR] >> Build failed in step 'Retrieving needed toolchain components' tarballs' というエラーが出た場合は、crosstool-NG/.config ファイルの CT_EXPAT_VERSION="2.2.5" を CT_EXPAT_VERSION="2.4.1" に変更してください。expat に何らかの脆弱性が見つかり古いバージョンが利用できなくなっているようです。（参考 expat-2.2.9.tar.gz Not Found #13）

パスを設定します。

$ cp -r ~/esp/crosstool-NG/builds/xtensa-esp32-elf ~/esp/xtensa-esp32-elf
$ export PATH="$HOME/esp/xtensa-esp32-elf/bin:$PATH"

micro-ROS ビルドシステムのセットアップ

First micro-ROS Application on FreeRTOS を参考に micro_ros_setup を使って micro-ROS ビルドシステムをインストールします。※ただし RaspberryPi 用に少し手を加えます。

ROS2 のワークスペースを作成します。

$ mkdir -p ~/microros_ws
$ cd ~/microros_ws
$ git clone -b $ROS_DISTRO https://github.com/micro-ROS/micro_ros_setup.git src/micro_ros_setup

rosdep を使って依存関係を更新します。

$ sudo apt update && rosdep update
$ rosdep install --from-path src --ignore-src -y

pip をインストールします。
```
$ sudo apt install python3-pip
```
toolchain をダウンロードしないように変更します。
micro_ros_setup は micro-ROS ビルドシステムの構築中に ESP-IDF を自動でインストールする仕様になっており、RaspberryPi4 上では ESP32 用の toolchain をダウンロードできずエラーになります。そこでインストール用のスクリプトにダウンロードをスキップさせるような変更を加えます。
具体的には、micro_ros_setup/config/freertos/esp32/create.sh を開き、python3 esp-idf/tools/idf_tools.py install の行の前に sed -i -e `s/always/never/g` esp-idf/tools/tools.json を追加します。
micro_ros_setup 自体のツールをインストールします。
```
$ cd ~/microros_ws
$ colcon build
$ source install/local_setup.bash
```
上記のコマンドを実行すると ~/microros_ws/install にツールがインストールされます。
ファームウェアのワークスペースを作成します。
```
$ ros2 run micro_ros_setup create_firmware_ws.sh freertos esp32
```
上記のコマンドを実行すると、ESP32 向けのファームウェアをビルドするためのワークスペースが ~/microros_ws/firmware に作成されます。
micro-ROS アプリは ~/microros_ws/firmware/freertos_apps/apps の下に配置されており、次のような構成になっています。
```
apps
|-- <app_name>
|    |-- app.c 
|    +-- app-colcon.meta
```
app.c はアプリのソースコードです。app-colcon.meta は colcon の設定ファイルで、ROS Middleware (RMW) の設定を記述します。
サンプルに習って app.c と app-colcon.meta ファイルを含むディレクトリを作成すれば、自作アプリを追加することもできます。

ファームウェアの設定

ビルドするアプリとオプションを指定します。以下のコマンドはサンプルの int32_publisher を指定します。また、RaspberryPi4 の IP アドレスとポートを指定します（後述する Micro XRCE-DDS Agent の接続先となります）。
```
$ ros2 run micro_ros_setup configure_firmware.sh int32_publisher -t udp -i 192.168.x.x -p 8888
```
WiFi 接続を設定します。以下のコマンドを実行すると各種設定画面が表示されるので、micro-ROS Transport Settings -> WiFi Configuration から WiFi の SSID とパスワードを設定します。
```
$ ros2 run micro_ros_setup build_firmware.sh menuconfig
```

ファームウェアのビルドと書き込み

ファームウェアのビルドを開始します。
```
$ ros2 run micro_ros_setup build_firmware.sh
```
`colcon build` with stderr output とメッセージが表示されることがありますが、そのまま進んで問題ないようです。
ESP32 を RaspberryPi4 に接続してファームウェアを書き込みます。
```
$ ros2 run micro_ros_setup flash_firmware.sh
```

Micro XRCE-DDS Agent のインストールと起動

マイコン上の micro-ROS アプリが他の ROS2 システムと通信するには、Micro XRCE-DDS Agent と接続する必要があります。以下の手順で Agent を RaspberryPi4 にインストールして、起動させます。

Agent をダウンロードします。

$ ros2 run micro_ros_setup create_agent_ws.sh

Agent をビルドします。

$ ros2 run micro_ros_setup build_agent.sh
$ source install/local_setup.bash

Agent を起動します。
```
$ ros2 run micro_ros_agent micro_ros_agent udp4 -p 8888
```
Agent の起動後、ESP32 を再起動すれば接続されるはずです。
別のターミナルを開いて ROS2 のメッセージが届いているか確認します。
```
$ ros2 topic list
```
```
$ ros2 topic echo /freertos_int32_publisher
```
メッセージが表示されれば成功です。