基于 Toradex 硬件和 ROS 2 加速机器人原型开发：SiBrain 的技术视角

toradex | 2025-12-31 11:20:31 阅读：172

引言:
解决现代机器人系统的技术挑战

机器人系统对嵌入式计算提出了严峻要求，它需要实现低延迟实时通信、多传感器集成以及确定性性能，这些功能都需在复杂的中间件栈中协同运作。ROS 2 凭借其数据分发服务（DDS）通信架构、模块化软件生态系统以及对嵌入式 Linux 的支持，已成为机器人领域的事实标准。

本文记录了我们将基于 ROS 2 的机器人原型移植至 Toradex Verdin iMX8M Plus 模块的技术探索过程。该平台凭借其神经网络处理单元（NPU）、异构核心架构及相机接口特性，非常适合机器人应用开发。

本文并按步讲解的机器人教程，而是旨在记录我们在 Toradex 硬件上对 ROS 2 工作流程的工程评估。我们将重点分析实际验证过程中的成功经验与难点，并从开发速度、可维护性和部署效率等维度，对比基于 Yocto 的构建方案与 Torizon 容器化方案的差异。文中同时提供了关键步骤的示例命令，以便读者复现实验过程。

ROS 2 是什么以及我们为何使用它

ROS 2 并非传统意义上的操作系统，而是一个帮助开发者构建机器人应用的开源软件框架。可以这样理解：Linux 是处理器的操作系统，而 ROS 2 则是实体机器人的“操作系统”。

ROS 2 在机器人领域被广泛采用的一个重要原因在于其对实时通信的支持。这一特性通过 DDS 实现，使开发者能够根据不同任务需求灵活调整消息传递机制。此外，ROS 2 还拥有庞大的生态系统，提供涵盖导航、感知、可视化及硬件驱动等领域的即用型功能包。

在我们的项目中，我们选择了 ROS 2 Humble 版本，因为它提供长期支持，并且能在基于 ARM 架构的嵌入式硬件（如 Toradex Verdin iMX8M Plus）上良好运行。采用 ROS 2 使我们能够更轻松地组织机器人软件、集成多种传感器并复用现有工具，同时保持构建自定义功能的灵活性。

起点：Yocto + ROS 2

在我们的概念验证机器人中，我们采用了以下技术栈：

基于 meta-ros 层的 Yocto Scarthgap 5.0.
ROS 2 Humble 发行版 .
搭载多种板载传感器:

DHT20（温湿度传感器）
环境光传感器
IMU（加速度计、陀螺仪、磁力计）
超声波测距模块
室内激光雷达（LiDAR）
USB 摄像头

我们将应用程序打包在基于 Ubuntu 的容器中，采用 Debian 构建方式，从而实现了快速迭代开发。该机器人在搭载 Verdin iMX8M Plus 模块的 Toradex Dahlia 与 Mallow 载板上成功运行。

Mallow Carrier Board with Verdin iMX8M Plus

Yocto 项目面临的挑战

我们选择从Yocto 起步，因为嵌入式开发团队先前已具备相关经验。然而 Yocto 在提供灵活性的同时，也带来了复杂性：

需为定制传感器打内核补丁与驱动集成；
维护自定义 Yocto 层需要大量管理成本；
系统更新必须通过人工方式管理。

虽然最终实现了功能需求，但显然我们重复构建了 Toradex 通过 Torizon OS 已提供的工具链。

转向 Torizon OS

Torizon OS 是 Toradex 推出的开源工业 Linux 平台，基于 Yocto 构建，但专为简化开发与维护而设计。

将 ROS 2 机器人迁移至 Torizon 后，我们实现了以下核心优势：

稳定的基础操作系统

长期支持（LTS）并定期提供安全补丁。
无需维护自定义 Yocto 构建版本。

容器化部署方案

将 ROS 2 封装于 Docker 容器中运行
彻底消除与基础操作系统的环境冲突
实现开发设备与部署设备的环境完全一致

开发者友好型工具链

提供 Visual Studio Code 的 Torizon IDE 扩展插件.
支持远程调试、交叉编译及 CI/CD 流水线集成.

面向未来的 OTA 更新机制

内置的 OTA 功能支持应用程序与系统更新
安全启动和 SBOM 满足合规要求。

由此，我们的迭代周期大幅缩短，无需重建完整 Yocto 镜像，现在只需在基于Ubuntu 的 ROS 容器内开发，并通过 Torizon 在数分钟内完成部署。

在 Toradex Torizon上运行自定义和预构建的 ROS 2 软件包

得益于 Torizon 对 Docker 的支持，运行预构建及自定义 ROS 2 软件包变得十分简便。以下是详细步骤指南：

前提条件

Toradex 开发板（例如：使用 Mallow 载板的 Verdin iMX8MP）
已通过 Toradex Easy Installer 安装 Torizon OS 系统
主机 PC 需运行 Ubuntu 22.04 系统并安装 ROS 2 Humble

刷写 Torizon OS 系统

Username: torizon
Password: torizon

使用Toradex Easy Installer从在线服务器刷写Torizon OS
启动开发板并打开调试控制台
录系统:

运行预构建的 ROS 2 软件包

# 步骤一：拉取 Sibrain 预构建的 ROS 2 基础镜像
```
docker pull sibrain/rosbase
```
# 第二步：使用 host 网络运行容器
```
docker run --network host -it sibrain/rosbase:latest
```
# 第三步：设置 ROS 环境
```
source /opt/ros/humble/setup.bash
```
# 第四步：运行演示对话节点
```
ros2 run demo_nodes_py talker
```
从您的主机（在同一网络中）：
```
ros2 topic list  
ros2 topic echo /chatter
```

运行自定义 ROS 2 软件包
我们使用两个容器：
# 第一步：拉取所需镜像

docker pull sibrain/rosbase
docker pull sibrain/hello_ros

# 第二步：启动容器

docker run -d --name rosbase_running --network host -v ros_opt:/opt -it sibrain/rosbase:latest  
docker run -d --name hello_ros --network host -v ros_opt:/opt -it sibrain/hello_ros

# 第三步：构建自定义 ROS 包

docker exec -it hello_ros bash  
cd src/  
source /opt/ros/humble/setup.bash  
colcon build  
source install/setup.bash

# 第四步：运行自定义节点

ros2 run ros_py_pkg py_node  
From your host PC:
ros2 topic list  
ros2 topic echo /helloros

rosbase → ROS 环境配置容器
hello_ros → 自定义软件包容器

该工作流程支持在 Toradex 硬件上快速测试通用及特定应用的 ROS 软件包。

经验总结

对于刚开始使用 Toradex 硬件的机器人团队，我们强烈建议采用 Torizon OS 结合 ROS 2 容器方案，以加速原型开发并缩短产品上市周期。Torizon O S通过快速原型构建、持续更新维护和 OTA 部署功能有效降低了系统复杂性。若沿用最初基于Yocto 构建的方案则无法实现这些优势。此外，ROS 2 容器还提供了卓越的可复现性、跨平台移植能力以及极简的系统集成工作量。

下一步计划

SiBrain 正与 Toradex 合作，致力于：

在 Torizon 演示库中发布 ROS 2 容器。
为 Torizon IDE 提供 ROS 2 项目模板。
在行业展会上展示即将推出的演示案例，包括一款 ROS 2 无人机原型。

通过将 ROS 2 与 Torizon 结合应用于 Toradex 硬件平台，您可专注于机器人智能开发与创新，无需耗费精力维护底层基础设施。