چرا رآس؟

واژه ی رآس (ROS) را در پروژه های رباتیک و هوش مصنوعی دیده اید، یا علاقه مندید پروژه های خود را با بهره گیری از توانایی های رآس توسعه دهید.. در هر حال حتی اگر فرد خبره ای باشید و آشنایی کافی از رآس داشته باشید باید بدنبال به روز رسانی های آن باشید چرا که این مجموعه فعال و در حال رشد است. قبل ار شروع با مقدمه ای کوتاه به معرفی رآس می پردازیم.

محققین رباتیک در سال های اخیر پیشرفت شگرفی داشته اند. سخت افزار های قابل اعتماد و ارزان رباتیک، از ربات های متحرک زمینی تا کوادروتور و ربات های انسان نما، به صورت گسترده در دسترس هستند. البته محققین رباتیک الگوریتم های زیادی برای افزایش سطح خودمختاری ربات ها توسعه داده اند. با این وجود این پیشرفت سریع، در زمینه ی نرم افزار چالش های زیادی در رباتیک به وجود آورده است. این مجموعه یک پلت فرم نرم افزار به نام سیستم عامل رباتیک (رآس یا ROS) را معرفی می کند. هدف از رآس در سایت رسمی اش به صورت زیر عنوان شده است:

رآس چیست؟

رآس یک سیستم عامل رایگان با قابلیت کار بر روی چند سیستم عامل برای ربات است و سرویس هایی که شما از یک سیستم عامل انتظار دارید را فراهم می کند. منظور از چند سیستم عامل یعنی اینکه می توانید بر روی اوبونتو، دبیان و در رآس 2 بر روی ویندوز پلتفرم نرم افزاری خود را پیکربندی کنید. رآس شامل شبیه ساز سخت افزار، کنترل سطح پایین وسیله، انتقال پیام ها بین پردازش ها و توابع، مدیریت پکیج ها می باشد. بعلاوه رآس شامل ابزار ها و کتابخانه هایی برای کمپایل کردن و نوشتن و اجرا کردن کد در چند کامپیوتر است.

این توصیف دقیق است و کاملاْ بیان می کند که رآس جایگزینی برای بقیه سیستم عامل ها نیست بلکه در کنار آنها کار می کند. پس مزیت اصلی رآس چیست؟ یادگرفتن رآس به زمان و انرژی زیادی نیاز دارد پس باید مطمئن باشیم که ارزش سرمایه گذاری این را دارد. در ادامه فواید توسعه نرم افزارهای رباتیک که رآس می تواند در این زمینه به ما کمک کند را بررسی می کنیم:

محاسبات توزیع یافته ی رآس

 امروزه بسیاری از ربات ها بر اساس نرم افزارهایی هستند که به وسیله ی چند کامپیوتر اجرا می شود. برای مثال:

• بعضی از ربات ها چند کامپیوتر را حمل می کنند که هر کدام یکی از محرک ها یا سنسورهای ربات را کنترل می کند.
• این ایده ی بسیار خوبی است که حتی با یک کامپیوتر، نرم افزار به بخش های کوچک و مستقلی، که با همکاری یکدیگر هدف نهایی را تحقق ببخشند، تقسیم شود. این روش “پیچیدگی در ترکیب“ خوانده می شود.
• وقتی چند ربات برای انجام کاری مشترک با هم همکاری می کنند اغلب لازم است که برای راهبری کارهایشان با هم ارتباط برقرار کنند.
• انسان ها معمولاْ دستوری را به وسیله کامپیوتر، لپتاپ یا موبایل به ربات ها می فرستند در این مورد می توان ارتباط انسان را نیز به عنوان یک نرم افزار ربات در نظر گرفت.

مسئله ی مشترک در همه ی موارد بالا ایجاد ارتباط بین نرم افزار های مختلف است که ممکن است در یک کامپیوتر یا چند کامپیوتر اجرا شوند. رآس دو مکانیزم ساده برای این نوع ارتباط ها فراهم می کند که در بخش های بعدی به آن می پردازیم.

استفاده دوباره از کدها در رآس

توسعه سریع رباتیک به دلیل جمع آوری الگوریتم های خوب برای وظایف معمول ربات ها مانند جهت یابی، مسیریابی و نقشه کشی و… است. در واقع وجود چنین الگوریتم هایی زمانی مفید خواهد بود که راهی برای پیاده سازی آنها با مفهوم جدید، بدون نیاز به پیاده سازی هر الگوریتم برای هر سیستم جدید، وجود داشته باشد. رآس برای جلوگیری از چنین مشکلی می تواند حداقل از دو راه زیر کمک نماید.

• پکیج های استاندارد رآس الگوریتم های رباتیک مهم زیادی که پایدار و قابل عیب یابی و رفع عیب هستند را فراهم می کند.
• پیام های رآس در واقع استانداردی برای ارتباط بین نرم افزارها هستند، یعنی ارتباط رآس با هر دو طرف سخت افزار و نرم افزارهایی که الگوریتم های پیشرفته را پیاده سازی کرده اند، کاملا فراهم شده است. برای مثال در سایت رآس لیست صدها پکیج وجود دارد. این نوع ارتباط های استاندارد شده نیاز به کدهای کمکی برای مرتبط کردن قسمت های مختلف نرم افزار را بسیار کاهش می دهد. به این ترتیب بعد از یادگرفتن رآس می توان بیشتر روی ایده های جدید تمرکز کرد تا اینکه چرخ را دوباره بسازیم.

تست سریع در رآس

یکی از دلایلی که گسترش نرم افزار رباتیک از گسترش بقیه قسمت ها چالش برانگیز تر است، وقت گیر بودن تست و پیدا کردن خطاهاست. ربات واقعی ممکن است همیشه در دسترس نباشد، و وقتی در دسترس است پردازش ها بسیار کند و خسته کننده هستند. رآس دو ابزار مؤثر برای این مشکل فراهم می کند.

• سیستم های خوب طراحی شده رآس کنترل مستقیم سطح پایین سخت افزار را از پردازش سطح بالا و بخش تصمیم گیری جدا می کند. به دلیل این جدایی ما می توانیم به صورت موقت کنترل های سطح پایین و سخت افزارهای مرتبط با آن را با وسیله شبیه ساز جایگزین کنیم تا الگوریتم های سطح بالا را تست کنیم.
• رآس همچنین امکان ذخیره کردن و بازپخش کردن داده های سنسورها و پیام ها را فراهم می کند. این امکانات یعنی ما می توانیم از زمان بهره ی بیشتری ببریم چون با ثبت کردن داده های سنسور می توانیم آنها را بارها دوباره اجرا کنیم و با روش های مختلف آنها را پردازش کنیم. به این ابزار در رآس بگ (bag) می گوییم و در واقع رآس بگ (rosbag) ابزاری است برای رکورد و دوباره اجرا کردن که در بخش های بعدی به آن می پردازیم.

اطلاعات ذخیره شده و واقعی

مساله مهم اینجاست که تفاوت اطلاعات ذخیره شده و سنسور واقعی ناچیز است. چون ربات واقعی، شبیه ساز، و دوباره اجرا کردن بگ فایل، هر سه یک نوع دیتای ارتباطی ایجاد می کند. و کدتان لازم نیست در دو مد مختلف کار کند و حتی لازم نیست مشخص کنیم که با ربات واقعی در ارتباط است یا با دیتای ذخیره شده.

البته رآس تنها پلت فرمی نیست که این قابلیت ها را فراهم می کند. اما آنچه را رآس را متمایز می کند جامعه گسترده رباتیکی است که از آن استفاده و آن را پشتیبانی می کند. این پشتیبانی وسیع منطقا رآس را ادامه دار، گسترش پذیر و قابل بهبود در آینده نشان می دهد.

رآس چه چیزهایی نیست

در ادامه مواردی که در مورد رآس درست نیست را بیان می کنیم.

• رآس یک زبان برنامه نویسی نیست. بلکه در این آموزش توضیح می دهیم چگونه به زبان ++C در رآس برنامه نویسی کنیم. گرچه می توان به زبان های پایتون ،جاوا و لی سپ و دیگر زبان ها هم می توان در این محیط برنامه نویسی کرد.
• رآس فقط یک کتابخانه نیست. بلکه سرویس های مرکزی و ابزار دستور (command-line) و گرافیکی و ساختن (build) را هم فراهم می کند.
• رآس یک محیط توسعه مجتمع (Integrated Development Environment) نیست. اگرچه رآس هیچ محیط توسعه ای را تجویز نمی کند اما می تواند با بیشتر IDEهای معمول استفاده شود. البته به نظر شخصی نویسنده استقاده از دستورات command line بدون IDE کاملا منطقی است.