HAMALS Serial Bridge

ROS2 ile gömülü MCU firmware arasında güvenli ve katmanlı seri haberleşme köprüsü.

hamals_serial_bridge, diferansiyel sürüşlü mobil robotlarda ROS 2 ekosistemi ile mikrodenetleyici firmware’i arasında kontrollü ve güvenli bağlantı sağlayan modüler bir middleware katmanıdır.

Amaç

Bu paket iki farklı dünyayı birbirine bağlar

ROS 2 Tarafı

• NAV2
• Teleop
• EKF / robot_localization
• RViz
• TF sistemi

MCU Tarafı

• Encoder ISR
• IMU polling
• PID kontrol
• Odometry hesaplama
• Watchdog fail-safe

Serial bridge, ROS ile firmware arasında system boundary oluşturur ve veri akışını doğrulamalı (checksum’lu) şekilde yönetir.

Mimari

[ ROS Graph Layer ]
        |
[ SerialBridge Node ]
        |
[ Framed Protocol Layer ]
        |
[ Embedded Firmware ]

Tasarım İlkeleri

• Tek sorumluluk prensibi
• Katmanlı mimari
• Config-driven yapı
• Thread-safe TX (lock korumalı)
• Framed + checksum’lu protokol
• Dead-man güvenlik mekanizması
• Parser istatistikleri
• Nav2 uyumlu covariance

Veri Akışı

ROS → MCU

Twist → encode_cmd() → framed packet → serial.write()

/cmd_vel mesajı MCU protokolüne çevirerek seri hat üzerinden gönderilir.

MCU → ROS

serial.read → LineParser → checksum verify → publish(Odometry)

MCU’dan gelen odometri verisi ayrıştırılır ve ROS nav_msg /Odometry mesajına dönüştürülür.

Paket Yapısı

hamals_serial_bridge/
├── config/serial_bridge.yaml
├── hamals_serial_bridge/
│   ├── parser.py
│   ├── protocol.py
│   ├── serial_node.py
│   ├── utils.py
├── launch/serial_bridge.launch.py
├── test/test_parser.py

Konfigürasyon

  ros__parameters:

    port: /dev/ttyACM0
    baudrate: 115200
    timeout_ms: 50

    cmd_vel_topic: /cmd_vel
    odom_topic: /odom
    odom_pub_hz: 50

    frame_id: odom
    child_frame_id: base_link

    pose_covariance: [ ... 36 elements ... ]
    twist_covariance: [ ... 36 elements ... ]

    reset_on_startup: true
    reset_pulse_ms: 100
    reset_boot_wait_ms: 1500

    cmd_vel_timeout_ms: 500
    debug: true

Güvenlik Mekanizması

Belirli süre içinde /cmd_vel alınmazsa:

CMD 0.000 0.000

gönderilir ve robot durdurulur.

Bu durumlarda runaway robotr engellenir.

• WiFi kopması
• Teleop çökmesi
• Nav2 hatası
• Node kapanması

Framed Seri Protokol

ROS → MCU

CMD <linear_velocity> <angular_velocity>

Örnek:

$CMD,0.200,0.000*5A

MCU → ROS

odom,x,y,yaw,v,w

Örnek:

$ODOM,1.23,0.45,0.12,0.20,0.00*3F

Invalid checksum türünde frame’ler parser tarafından discard edilir.

Thread Modeli

• ROS callback ana thread
• Serial RX ayrı daemon thread
• TX lock ile thread-safe write
• Parser realign + framed recovery

Debug Modu

debug: true ise:

• RX bytes
• RX valid frames
• RX invalid frames
• TX packets
• Odom publish count
• Dead-man state
• Son cmd_vel
• Son odom

1 saniyede bir terminalde gösterilir.

Kullanım

Build:

colcon build --packages-select hamals_serial_bridge
source install/setup.bash

Launch:

ros2 launch hamals_serial_bridge serial_bridge.launch.py

Ekosistem

Bu paket, HAMALS robot yazılım mimarisinin bir parçasıdır.

Bağlantılı olduğu firmware:

• hamals_firmware
  Diferansiyel sürüşlü robot için MCU tabanlı gerçek zamanlı kontrol katmanı.

            ┌────────────────────────────┐
            │        ROS 2 Layer         │
            │  Nav2 | EKF | RViz | TF    │
            └───────────────┬────────────┘
                            │
                  hamals_serial_bridge
                            │
            ┌───────────────┴────────────┐
            │       hamals_firmware      │
            │  PID | IMU | Encoder | Odom│
            └────────────────────────────┘