מה זה ROS?

 זה ראשי תיבות של "מערכת הפעלה רובוטית" (Robotic Operating System). זו מערכת מקור פתוח וגמישה לכתיבת תוכנה לרובוטים. ROS אינה מערכת הפעלה במובן המסורתי של ניהול תהליכים ותזמון; במקום זאת, היא מספקת שכבת תקשורת מובנית מעל מערכות ההפעלה של המארח בקבוצת חישוב הטרוגנית.

תכונות עיקריות של ROS כוללות:

תקשורת מתוקנת

ROS מפשטת את התקשורת בין חלקים שונים של מערכת התוכנה של הרובוט. היא משתמשת בדגם הודעות של פרסום/מנוי כדי לעזור לרכיבים שונים במערכת הרובוט (כמו חיישנים, מנועים ואלגוריתמים) לתקשר זה עם זה.

כלים וספריות

ROS מציעה מספר רב של כלים וספריות שתוכננו במיוחד לפיתוח יישומים רובוטיים מורכבים. כוללים כלים לוויזואליזציה, סביבות סימולציה, וספריות לטיפול במשימות נפוצות כמו ניווט ותפיסה.

מודולריות

אחד מבין יתרונותיה העיקריים של ROS היא המודולריות שלה. מפתחים יכולים ליצור רכיבים ניתנים לשימוש חוזר (המכונים "צמתים" ב-ROS) שניתן לשתף ולהשתמש בהם ביישומים רובוטיים שונים.

קהילה ותמיכה

כמערכת מקור פתוח, ל-ROS יש קהילה גדולה ופעילה. הקהילה הזו תורמת למגוון רחב של דרייברים תואמי ROS, ספריות תוכנה, וכלים נוספים, שעוזרים בפיתוח מהיר ובאיתור תקלות.

רוחב פלטפורמה

למרות ש-ROS פותחה במקור עבור לינוקס אובונטו, גרסאות כמו ROS 2 הרחיבו את התאימות שלה עם מערכות הפעלה נוספות, כולל ווינדוס ומקינטוש.

ROS משמשת רחבות במחקרים אקדמיים ותעשייתיים, בפרוטוטיפים, ואף במוצרים רובוטיים מסחריים. זו כלי מפתח בקידום תחום הרובוטיקה על ידי הקלת הפיתוח והפקת יעילות רבה יותר של מערכות רובוטיות.

ROS (מערכת הפעלה רובוטית) פועלת על ידי אספקת מסגרת לבניית והפעלת מערכות תוכנה רובוטיות. היא מובנת כדי להתמודד עם המורכבות וההטרוגניות של חומרת ותוכנת הרובוטים. הנה סקירה כיצד ROS פועלת:

צמתים - Nodes

היחידה הבסיסית ב-ROS היא "צומת". צומת היא תהליך המבצע חישובים. במערכת מבוססת ROS טיפוסית, מספר צמתים פועלים במקביל, כל אחד מתמודד עם חלקים שונים של המערכת הרובוטית (למשל, עיבוד נתוני חיישנים, שליטה במנועים, קבלת החלטות).

צמתים מתקשרים זה עם זה דרך רשת עמית לעמית (peer-to-peer).

הודעות - Messages

התקשורת בין צמתים מתבצעת דרך הודעות. הודעה היא מבנה נתונים פשוט הכולל שדות מסוגים. נתמכים סוגים פרימיטיביים סטנדרטיים (שלם, מספר צף, בוליאני וכו'), כמו גם מערכים ומבנים מקוננים.

כל צומת יכול לפרסם הודעות לנושא או להירשם לנושא כדי לקבל הודעות.

נושאים - Topics

נושאים הם ערוצי תקשורת עליהם מחליפים צמתים הודעות. כאשר צומת שולח הודעה, הוא מפרסם את ההודעה לנושא מסוים. ההודעה מועברת לכל הצמתים המנויים לנושא הזה.

נושאים תומכים בפרדיגמת תקשורת רבים-אל-רבים ומיועדים לתקשורת חד-כיוונית, זורמת.

שירותים - Services

בנוסף למודל של פרסום/מנוי, ROS תומכת באינטראקציות בקשה/תגובה בין צמתים דרך שירותים. שירות מוגדר על ידי זוג מבני הודעות: אחד לבקשה ואחד לתגובה.

צומת המציע שירות הוא שרת ויכול לעבד בקשות מצמתים לקוח.

מאסטר - Master 

מאסטר ROS מספק רישום שמות וחיפוש לשאר גרף החישוב. בלי המאסטר, הצמתים לא היו מסוגלים למצוא זה את זה, להחליף הודעות או לבצע שירותים.

המאסטר גם מנהל את שרת הפרמטרים, שם ניתן לאחסן ולאחזר פרמטרים על ידי צמתים.

שרת פרמטרים - Parameter Server

שרת הפרמטרים מאפשר לאחסן נתונים לפי מפתח במיקום מרכזי. הוא נמצא בשימוש נפוץ לנתונים סטטיים, לא בינאריים כמו פרמטרים של הגדרות.

תיקים - Files

ל-ROS יש תכונת רישום נתונים הנקראת "תיקים", המאפשרת אחסון והשמעת נתוני הודעות ROS. זה שימושי במיוחד לבדיקות וניפוי באגים.

כלים וספריות - Tools and Libraries

ROS מספקת מספר רב של כלים לוויזואליזציה, בדיקה, וניפוי באגים של יישומי ROS. כוללים כלים לשורת הפקודה, ממשקים גרפיים, וסביבת סימולציה.

מערכת קבצים של ROS  Filesystem

ROS משתמשת במבנה קבצים ספציפי עם חבילות ומניפסטים, המקלים על ארגון ושיתוף הקוד.

בקיצור, ROS ממקדת את המורכבות הכרוכה בממשק עם חומרה, עיבוד נתונים ברמה נמוכה, וניהול מערכות מבוזרות. המיפוי הזה מאפשר למפתחים וחוקרים להתמקד יותר בפונקציונליות ברמה גבוהה של הרובוטים שלהם.

 ו-ROS 2 הם שתי גרסאות של מערכת ההפעלה הרובוטית, אך יש ביניהן הבדלים משמעותיים בעיצוב, תכונות ויכולות. הנה השוואה של ההבדלים המרכזיים:

מעבר מ-ROS 1 ל-ROS 2

מספר רב של ארגונים ופרויקטים עוברים מ-ROS 1 ל-ROS 2 בשל התכונות המתקדמות שלו. עם זאת, ROS 1 עדיין בשימוש נרחב, במיוחד במערכות שפותחו לפני ש-ROS 2 הפך ליציב ועשיר בתכונות.

הבחירה בין ROS 1 ל-ROS 2 תלויה בדרישות הספציפיות של הפרויקט, כמו הצורך בעיבוד בזמן אמת (real-time processing), ביטחון (security), ניתנות להרחבה (scalability), וסביבת היישום המיועדת. בדרך כלל מומלץ לבחור ב-ROS 2 עבור פרויקטים חדשים, במיוחד אלו שמכוונים להפצה מסחרית או שדורשים תכונות מתקדמות.

שימוש ב-ROS (מערכת הפעלה רובוטית) כולל מספר שלבים, מהקמת הסביבה ועד כתיבה והרצת צמתים (nodes) של ROS. הנה מדריך כללי כיצד להשתמש ב-ROS:

הקמת סביבת ROS

התקנת ROS: ראשית, עליך להתקין את ROS על המחשב שלך. ROS תומכת בעיקר בלינוקס אובונטו, והוראות התקנה מפורטות ניתן למצוא באתר האינטרנט של ROS. ל-ROS 2 יש תמיכה מורחבת במערכות הפעלה נוספות כמו Windows ו-macOS.

הגדרת סביבה: לאחר ההתקנה, עליך להגדיר את סביבת ה-ROS שלך. זה לרוב כולל קביעת תצורה של הקובץ ~/.bashrc שלך לקריאת סקריפט ההגדרה של ROS, שמוסיף את משתני הסביבה והנתיבים הדרושים.

יצירת סדנת עבודה של ROS

הקמת סדנת עבודה: פרויקטים של ROS מפותחים בסדנת עבודה מוקדשת. זה המקום שבו כל החבילות שלך של ROS (projects) יאוחסנו.

בניית סדנת עבודה: השתמש בכלים כמו catkin (עבור ROS 1) או colcon (עבור ROS 2) לבנות את סדנת העבודה שלך ולקמפל את החבילות שלך.

יצירת חבילות ROS

יצירת חבילה: בתוך סדנת העבודה שלך, תיצור חבילות לחלקים שונים של תוכנת הרובוט שלך. חבילה עשויה להכיל צמתים, ספריות, מערכות נתונים וכו'.

מבנה החבילה: חבילת ROS טיפוסית כוללת סקריפטים, קבצי מקור, קבצי בנייה וקבצי תצורה של החבילה (CMakeLists.txt ו-package.xml).

כתיבת צמתים של ROS

תכנות צמתים: צמתים נכתבים בפייתון או ב-C++. תשתמש בספריות של ROS כדי להגדיר איך הצמתים מתקשרים זה עם זה.

מודל פרסום/מנוי: יש ליישם את מודל הפרסום/מנוי כדי שהצמתים יחליפו הודעות. צמתים יכולים לפרסם הודעות לנושאים או להירשם לנושאים.

הרצת Nodes של ROS

הפעלת צמתים: ניתן להפעיל צמתים בנפרד באמצעות הפקודה rosrun או להפעיל מספר צמתים בו זמנית באמצעות roslaunch.

צומת מאסטר: לפני הפעלת הצמתים שלך, עליך להפעיל את צומת המאסטר של ROS (באמצעות roscore), שמסייע בתקשורת בין הצמתים.

ניפוי באגים וויזואליזציה

כלים: השתמש בכלים כמו rviz לוויזואליזציה ו-rostopic לפיקוח וניפוי באגים של הנושאים בזמן אמת.

רישום: ROS מספקת יכולות רישום (info, warn, error) בתוך הצמתים שלך לצורכי ניפוי באגים.

רובוט אמיתי או סימולציה

אינטגרציה: אינטגרציה של החבילות שלך של ROS עם חומרת רובוט אמיתית או סימולציה בסביבות כמו Gazebo.

בדיקה: בדוק את הקוד שלך בצורה מקיפה בסימולציה לפני הפצה לרובוט אמיתי.

תיעוד וקהילה

למידה ושיתוף פעולה: השתמש בתיעוד הרחב של ROS, הדרכות ופורומים של הקהילה ללמידה ופתרון בעיות.

דוגמת זרימת עבודה:

אתחול Master Node של ROS: הפעל את roscore.

הפעלת צמתים: השתמש ב-rosrun או ב-roslaunch להפעלת הצמתים שלך.

פיקוח וניפוי באגים: השתמש בכלים של ROS לפיקוח על פעולת המערכת ולניפוי באגים לפי הצורך.

החלטה מתי להשתמש ב-ROS (Robotic Operating System - מערכת ההפעלה הרובוטית) תלויה במספר גורמים הקשורים לאופי של הפרויקט הרובוטי שלך, למורכבות של המשימות הכרוכות, ולסביבה בה הרובוט יפעל. הנה סצנריות מפתח בהן שימוש ב-ROS מועיל במיוחד:

• מערכות מורכבות ורב-רכיבים: כאשר הרובוט שלך כולל מספר חיישנים, מפעילים ומערכות בקרה שצריכים לתקשר ולעבוד יחד בצורה חלקה, ארכיטקטורת ROS מקלה על האינטגרציה הזו.
• פרוטוטיפינג ופיתוח מהירים: לפרויקטים בהם אתה צריך לפתח ולבדוק רעיונות במהירות, הספריות והכלים הרחבים של ROS יכולים להאיץ משמעותית את התהליך.
• פרויקטים אקדמיים ומחקריים: בהגדרות אקדמיות או מחקריות, שבהן אלגוריתמים חדשניים ומושגים רובוטיים חדשים מתפתחים ונבדקים, ROS מספקת מסגרת גמישה ונפוצה.
• פרויקטים שיתופיים ומקור פתוח: אם אתה עובד על פרויקט שבו שיתוף פעולה עם מפתחים אחרים או מוסדות הוא חיוני, הקהילה הגדולה והטבע המקור הפתוח של ROS מקלים על שיתוף ושיתוף פעולה.
• יישומים הדורשים תכונות רובוטיקה מתקדמות: לפרויקטים שצריכים יכולות רובוטיקה מתקדמות כמו תפיסה ב-3D, סימולציה, תכנון נתיב ומניפולציה, ROS מציעה פתרונות ומסגרות מוכנות לשימוש.
• אופציה להרחבה ומודולריות: אם אתה מצפה לצורך להרחיב את הפרויקט שלך או לשחזר רכיבים בהקשרים שונים, העיצוב המודולרי של ROS מאפשר גמישות וניתנות להרחבה.
• פיתוח חוצה פלטפורמות: במיוחד עם ROS 2, אם הפרויקט שלך דורש תאימות רוחבית לפלטפורמות (למשל, הפעלה גם על לינוקס וגם על חלונות), ROS יכולה לעמוד בצרכים אלו.

מתי לא להשתמש ב-ROS

1. רובוטים פשוטים או בעלי מטרה יחידה: עבור רובוטים מאוד פשוטים או משימות שלא דורשות את הפונקציונליות המורכבת של ROS, שימוש בה עשוי להיות מיותר. גישות מבוססות מיקרו-בקרים יכולות להיות יעילות יותר.
2. מערכות זמן אמת קשות: למרות ש-ROS 2 שיפרה את יכולות הזמן האמת שלה, עבור מערכות שבהן ביצועי זמן אמת קשים הם קריטיים, ROS לא תמיד תהיה ההתאמה הטובה ביותר.

מערכות עם משאבים מוגבלים: אם אתה עובד עם משאבי חישוב מוגבלים מאוד, העומס של ROS עשוי להיות חסרון.

ROS 1 לעומת ROS 2

בבחירה בין ROS 1 ל-ROS 2, קח בחשבון גורמים כמו הדרישה ליכולות זמן אמת, צרכי ביטחון והתכונות הספציפיות של כל גרסה.

ROS (Robotic Operating System - מערכת ההפעלה הרובוטית) התקבלה ברחבי התחומים והיישומים בחיי היומיום. הגמישות והתכונות העוצמתיות שלה הופכות אותה למתאימה למגוון רחב של יישומים רובוטיים, החל ממחקר ואקדמיה ועד לתעשייה ומוצרים מסחריים. הנה כמה דוגמאות:

מחקר וחינוך

מעבדות אקדמיות: רבות מהאוניברסיטאות ומוסדות המחקר משתמשים ב-ROS למחקרים רובוטיים, הוראה וניסויים. זה מאפשר לסטודנטים ולחוקרים לפתח ולבדוק אלגוריתמים ומערכות רובוטיות מתקדמות.

תחרויות רובוטיקה: ROS משמשת בתחרויות רובוטיקה כמו אתגר הרובוטיקה של DARPA, שם משימות מורכבות וסביבות דורשות פתרונות רובוטיים מתוחכמים.

אוטומציה תעשייתית

רובוטים לייצור: ROS משמשת בפיתוח רובוטים למשימות כמו הרכבה, צביעה ובדיקה במפעלים.

אוטומציה של מחסנים: חברות כמו אמזון משתמשות ברובוטים לאוטומציה של מחסנים, שם ROS משחקת תפקיד בניווט, טיפול בחפצים ותיאום בין רובוטים מרובים.

רובוטים לשירותים

רובוטים להוסטלריות: במלונות ומסעדות, רובוטים לשירותים משתמשים ב-ROS למשימות כמו מסירת פריטים לאורחים, הדרכה לחדרים או שולחנות, ומתן מידע.

רובוטים לבריאות: בבתי חולים, רובוטים המופעלים ב-ROS מסייעים במשימות כמו מסירת תרופות, העברת ציוד ואף במערכות ניתוח רובוטיות.

כלי רכב אוטונומיים

מכוניות עצמאיות: ROS משמשת בפיתוח ובדיקה של טכנולוגיה לרכבים אוטונומיים, כולל מערכות ניווט, תפיסה וקבלת החלטות.

רחפנים ו-UAVs: לרובוטים אוויריים ורחפנים, ROS משמשת לביצוע משימות כמו שליטה בטיסה, זיהוי אובייקטים וניווט אוטונומי.

רובוטים ביתיים ואישיים

רובוטים ביתיים: רובוטים למשימות ביתיות כמו שאיבת אבק, כריתת דשא או ניקוי חלונות לעיתים קרובות משתמשים ב-ROS לניווט וביצוע משימות.

רובוטים לסיוע אישי: רובוטים המספקים סיוע, חברה או חינוך בבתים לעיתים קרובות נשענים על ROS לפונקציונליות שונה.

חקלאות

רובוטים חקלאיים: ROS משמשת בפיתוח רובוטים חקלאיים למשימות כמו נטיעה, קטיף וניטור גידולים. רובוטים אלו יכולים לנווט באופן אוטונומי בשדות ולבצע פעולות מדויקות.

חיפוש והצלה

רובוטים לחיפוש והצלה: בתגובה לאסונות, רובוטים עם חיישנים ומצלמות, לעיתים קרובות מופעלים ב-ROS, משמשים למבצעי חיפוש והצלה בסביבות מסוכנות.

חקר החלל: נאס"א וסוכנויות חלל אחרות משתמשות ב-ROS ליצירת פרוטוטיפים ופיתוח מערכות רובוטיות למשימות חקר החלל.

בידור ואומנות

רובוטים להופעות: בפארקי שעשועים ומקומות בידור, רובוטים המשתמשים ב-ROS תורמים להופעות, התקנות אינטראקטיביות ותערוכות.

לסיכום,

ROS (Robotic Operating System - מערכת ההפעלה הרובוטית) היא כלי עוצמתי בארגז הכלים של המהנדס, במיוחד מתאימה לפרויקטים מורכבים ורב-גוניים שבהם ניתן לנצל במלואם את מגוון הכלים והיכולות שלה. עם זאת, לפרויקטים פשוטים יותר, העומס והמורכבות של ROS עשויים שלא להיות נחוצים. ההחלטה צריכה להתבסס על הערכה מדוקדקת של דרישות הפרויקט והמגבלות שלו.

• קורס סייבר ואבטחת מידע
• קורס Full Stack
• קורס בניית אתרים
• קורס למידת מכונה
• קורס דאטה סיינס
• קורס דאטה אנליסט
• קורס DEVOPS
• קורס IT
• קורס אוטומציה
• קורס Real Time Embedded