[论文解读] ROS Based Visual Programming Tool for Mobile Robot Education and Applications

Mustafa Karaca, Uğur Yayan|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2020

Robotics and Automated Systems被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于Blockly的ROS兼容性网页式可视化编程工具，用于移动机器人教学与应用，使初学者能够通过直观、无语法要求的编程方式轻松上手。通过利用rosbridge和roslibjs，系统实现了网页客户端与ROS兼容的eVrobot之间的实时通信，成功实现了遥控操作、SLAM以及自主漫游等任务，显著降低了编程门槛。

ABSTRACT

Visual programming languages (VPLs) provide coding without typing texts. VPL makes coding easy to programmers with automatically adding usually used some code structure. Beginners in coding have generally two main challenges; transforming ideas into logical expressions and syntax errors. Syntax errors are impossible with VPLs because of there is no forgotten parentheses and semicolons. VPLs provide to focus on algorithm for programmers. VPL is a new trend for educational robotic environments. In this study, Robot Operating System (ROS) compatible web based visual programming system has been developed for evarobot. ROS provides libraries and tools to help software developers create robot applications. It provides hardware abstraction, device drivers, libraries, visualizers, message-passing, package management, and more. Blockly has been used as VPL for the study and to generate / use blocks (commucation, sensing etc.). Some applications were generated like teleoperation, SLAM and wander etc. In this system, communication between server and client is supported by rosbridge package. Web page connected to ROS which runs on server using roslibjs library. Rosbridge provides a JSON API to ROS functionality for non-ROS programs.

研究动机与目标

• 为解决初学者在机器人编程中面临的挑战，特别是语法错误和逻辑结构组织问题。
• 开发一种与机器人操作系统（ROS）兼容的基于网页的可视化编程环境，用于移动机器人教学应用。
• 通过基于代码块的编程方式，实现无需编写代码即可直观控制机器人并开发算法。
• 通过使用rosbridge和roslibjs的基于JSON的API，集成ROS功能，实现客户端与服务器之间的无缝通信。
• 通过可视化编程界面演示实际应用，如遥控操作、SLAM以及自主漫游。

提出的方法

• 系统使用Blockly作为可视化编程接口，用于生成和管理机器人控制与感知相关的代码块。
• 使用ROS作为底层机器人框架，提供硬件抽象、设备驱动和消息传递功能。
• 通过rosbridge包实现网页客户端与ROS之间的通信，该包通过JSON API暴露ROS功能。
• 网页客户端使用roslibjs与ROS进行接口通信，实现实时控制和数据交换，而无需在客户端设备上安装原生ROS。
• 通过基于代码块的逻辑实现遥控操作、SLAM和自主漫游等应用，抽象化底层代码实现。
• 系统部署在运行ROS的服务器上，网页界面可通过标准浏览器访问。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于网页的可视化编程环境是否能有效减少语法相关错误，并提升初学者在移动机器人编程中的可及性？
• RQ2 像Blockly这样的基于代码块的界面与ROS集成时，其在支持复杂机器人任务方面的有效性如何？
• RQ3 使用rosbridge和roslibjs在非ROS网页客户端与ROS系统之间是否能实现高效、可靠的实时通信？
• RQ4 可视化编程工具是否能有效支持SLAM和自主导航等高级机器人应用？
• RQ5 将可视化编程与ROS集成后，对机器人教育中的学习曲线和开发时间有何影响？

主要发现

• 该可视化编程工具通过设计完全消除了语法错误，使用户能够专注于算法逻辑而非代码结构。
• 通过rosbridge和roslibjs将Blockly与ROS集成，实现了网页客户端与机器人系统之间的实时双向通信。
• 该系统成功实现了关键机器人应用的功能实现，包括遥控操作、SLAM以及自主漫游，且仅通过可视化代码块完成。
• 基于网页的架构使得无需在客户端设备上安装本地ROS，即可实现对eVrobot的远程访问与控制。
• 该工具在教育环境中表现出色，显著简化了从概念构想到可执行机器人行为的转化过程。
• 在可视化环境中使用标准化的ROS库和工具，保持了与现有ROS生态系统和工作流程的兼容性。