[论文解读] ROS-Mobile: An Android application for the Robot Operating System

Nils Rottmann, Nico Studt+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2020

Robotics and Automated Systems参考文献 7被引用 5

一句话总结

ROS-Mobile 是一款 Android 应用程序，可实现对移动机器人基于机器人操作系统（ROS）节点的实时控制与可视化，支持通过虚拟摇杆进行远程操作，并实时显示占用网格地图等传感器数据。该应用通过允许研究人员使用智能手机或平板电脑远程操作和监控室内及室外环境中的机器人，从而加速机器人系统的现场测试。

ABSTRACT

Controlling and monitoring complex autonomous and semi autonomous robotic systems is a challenging task. The Robot Operating System (ROS) was developed to act as a robotic middleware system running on Ubuntu Linux which allows, amongst others, hardware abstraction, message-passing between individual processes and package management. However, active support of ROS applications for mobile devices, such as smarthphones or tablets, are missing. We developed a ROS application for Android, which comes with an intuitive user interface for controlling and monitoring robotic systems. Our open source contribution can be used in a large variety of tasks and with many different kinds of robots. Moreover, it can easily be customized and new features added. In this paper, we give an outline over the software architecture, the main functionalities and show some possible use-cases on different mobile robotic systems.

研究动机与目标

• 为在真实环境中控制和监控基于 ROS 的机器人系统，提供一种轻量级、易访问的移动界面。
• 通过允许用户直接从智能手机或平板电脑进行控制，减少移动机器人算法在真实环境中部署和测试所需的时间与复杂性。
• 通过统一且可扩展的 Android 界面，支持多样化机器人应用，如家用机器人、自主水面车辆和医院导航机器人。
• 通过在真实室内和室外场景中快速原型设计和评估新型传感器、算法和控制方法，促进研发进程。
• 通过在 GitHub 上托管的、文档齐全且可扩展的架构，推动开放开发和社区贡献。

提出的方法

• 该应用程序通过安全外壳（SSH）连接到运行在远程计算机或机器人上的 ROS 主节点。
• 它实现了虚拟摇杆界面，将 Twist 消息发布到 /cmd_vel 主题，用于差速驱动机器人的控制。
• 该应用订阅 ROS 主题（如 /map），通过自定义的网格地图渲染方法实时可视化占用网格地图。
• 它通过类似插件的架构支持动态节点集成，允许用户通过教程引导的方式添加新的可视化和控制节点。
• 用户界面采用 MVVM（模型-视图-视图模型）架构模式构建，实现逻辑与展示的清晰分离，提升可维护性。
• 该应用程序设计为轻量且高效，在最小化移动设备资源使用的同时，保持与 ROS 系统的低延迟通信。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何有效利用移动设备，在现场实验中实现对基于 ROS 的机器人系统进行实时控制与可视化？
• RQ2 基于 Android 的移动应用程序在多大程度上减少了在真实环境中部署和测试移动机器人算法的时间与复杂性？
• RQ3 轻量级且可扩展的 Android 应用程序能否支持多种机器人平台和传感器模态，包括 SLAM、地图构建和远程操作？
• RQ4 基于 SSH 的 ROS 通信与实时可视化集成，如何提升研究人员在室内外机器人实验中的可用性？
• RQ5 使用消费级移动设备作为移动机器人远程控制与监控界面，其实际限制和性能特征是什么？

主要发现

• ROS-Mobile 通过虚拟摇杆界面实现了对移动机器人的实时远程操作，控制指令被发布到 /cmd_vel 主题。
• 该应用程序通过订阅 /map 主题成功实现了对实时占用网格地图的可视化，使用户能够实时监控环境地图构建过程。
• 该应用已在多个研究项目中成功部署并验证，包括智能草坪修剪机、自主水面车辆和医院导航机器人。
• 基于 SSH 的通信确保了 Android 设备与 ROS 主节点之间在户外环境下的安全且稳定的连接。
• 模块化架构支持通过社区贡献和持续开发，轻松扩展新节点和可视化组件。
• 现场实验表明，ROS-Mobile 显著减少了设置时间，并提高了在真实环境中评估机器人效率。