机器人操作系统（ROS）浅析

这是看了《A Gentle Introduction to ROS 》这本书后记的笔记，网上刚好找得到中文版的，就看中文版了，欢迎大佬批评指正，如需书的pdf可留下邮箱。

1.文件架构

工作空间

顾名思义就是进行操作的地方，放置有编译空间，
初始化工作空间：在src文件夹下创建了一个 CMakeLists.txt 的文件，目的是告诉系统，这个是ROS的工作空间

为了可以正常使用它，我们需要设置环境变量，让环境变量在所有终端都可以使用

src文件下放置你所需要的功能包

功能包

功能包的创建
- 会自动生成src文件和CMakeLists.txt、package.xml文件

catkin_creat_package [功能包名字] [依赖]
依赖也可以在CMakeLists.txt、package.xml文件中进行添加

package.xml
- 我们可以在这里添加我们需要的运行依赖、编译依赖
CMakeLists.txt
- 规定了依赖哪些功能包，编译生成什么文件，如何编译等流程
- 当我们在工作空间目录下进行编译时，catkin编译系统首先会找到每个package下的 CMakeLists.txt ，然后按照规则来编译构建。

2.节点

2.1节点管理器ROS Master

作用

ROS的通讯是基于节点来实现的，而ROSMaster起到了统一管理的作用
节点之间需要能够互相通信，而实现这一步最关键的就是ROSMaster

使用

必须roscore启动节点管理器
使用rosrun启动节点只能开启一个节点，后面将会介绍roslaunch来启动节点，与rosrun不同的是，launch文件可以启动同时启动多个节点，并且会开启节点管理器

2.2节点

ROSwiki:一旦启动roscore后,便可以运行ROS程序了。ROS程序的运行
实例被称为节点(node)

使用rosrun命令来启动节点

rosrun [功能包名称] [节点名称（一般是生成的可执行文件）]

如果该节点是发布消息的，那么就需要定义好消息的话题，数据类型
如果该节点是接受消息的，那么就需要写明要接受的话题

查看节点

查看节点列表 rosnode list
查看特定节点 rosnode info node-name
终止节点 rosnode kill node-name

查看节点构成图

rqt_graph

在这个命令中,r 代表 ROS,qt 指的是用来实现这个可视化程序的 Qt 图形界面(GUI)工具包。输入该命令之后,你将会看到一个图形界面,其中大部分区域用于展示当前系统中的节点。

注意：rqt_graph本身就是一个节点

3.话题和消息

节点管理器的作用的地方就是节点与节点之间的话题和消息

获取当前活跃话题：rostopic list
为了查看某个话题上发布的消息：rostopic echo topic-name
查看消息类型：rosmsg show message-type-name

4.编写ROS程序

1.Hello_ROS

1.创建工作空间和功能包

2.在工作空间下创建src文件来放置功能包

3.按照自己需要的功能编写代码，注意：

头文件需要包含ros/ros.h
如果包含了消息类型就需要包含指定的头文件

4.代码完成后开始配置文件

CMakeLists.txt
- 需要写明文件包含了哪些头文件
- 添加文件编译选项
package.xml
- 添加文件的编译运行依赖

5.进行编译

如果是第一次进行编译，需要source一下环境
```
source devel/setup.bash
```

6.运行

roscore启动节点管理器
rosrun启动节点

贴上代码

 // This is a ROS version of the standard "hello , world"// program.// This header defines the standard ROS classes .#include <ros/ros.h>int main ( int argc , char **argv ) {// Initialize the ROS system .ros::init ( argc , argv , "hello_ros" ) ;// Establ ish this program as a ROS node .ros::NodeHandle nh ;// Send some output as a log message .ROS_INFO_STREAM( "Hello,ROS!" ) ;}

2.发布者程序

2.1代码部分

因为该程序中包含了消息类型，因此我们需要添加头文件
用双分号(::)来区分开包名和类型名,双分号也称为范围解析运算符
main函数中首先进行初始化，并定义节点名称
接着创建句柄
- 句柄的作用是为了更方便的开启和关闭节点
创建发布者对象
- ros::Publisher pub = node_handle.advertise<message_type>(
  topic_name, queue_size);
- 队列长度不是指存放那个多少字节，而是发布消息序列的大小
进入循环（ ros::ok () 检测的是程序作为 ROS 节点是否仍处于运行良好的状态。它会一直返回 true）
- 创建消息对象
- 发布消息
- 定义消息发布格式

2.2编译部分

修改两个文件中的声明

贴上代码

 // This program publishes randomly−generated velocity// messages for turtlesim .#include <ros/ros.h>#include <geometry_msgs/Twist.h> // For geometry_msgs:: Twist#include <stdlib.h> // For rand() and RAND_MAXint main ( int argc , char **argv ) {// Initialize the ROS system and become a node .ros::init ( argc , argv , "publish_velocity" ) ;ros::NodeHandle nh ;// Create a publisher obj ect .ros::Publisher pub = nh.advertise <geometry_msgs::Twist >("turtle1/cmd_vel" , 1000) ;// Seed the random number generator .srand ( time ( 0 ) ) ;// Loop at 2Hz until the node is shut down.ros::Rate rate(2);while ( ros::ok () ) {// Create and fill in the message . The other four// fields , which are ignored by turtl esim , default to 0.geometry_msgs::Twist msg;msg.linear.x = double (rand())/double(RAND_MAX) ;msg.angular.z = 2*double(rand())/double(RAND_MAX)-1;// Publish the message .pub.publish(msg);// Send a message to rosout with the details .ROS_INFO_STREAM( "Sending random velocity command : "<< " linear=" << msg.linear.x<< " angular=" << msg.angular.z) ;// Wait untilit's time for another iteration .rate.sleep ( ) ;}
}

3.订阅者程序

与发布者差不多，下边介绍发布者中没有的内容

回调函数：订阅者功能实现的地方

给ROS控制权

ros::spinOnce()：要求ROS执行所有挂起的回调函数，然后返回控制权
ros::spin()：要求 ROS 等待并且执行回调函数,直到这个节点关机。
换句话说,ros::spin()大体等于这样一个循环:
while(ros::ok( ))
{
ros::spinOnce();
}
使用 ros::spinOnce()还是使用 ros::spin()的建议如下:你的程
序除了响应回调函数,还有其他重复性工作要做吗?如果答案是
“否”,那么使用 ros::spin();否则,合理的选择是写一个循环,做
其他需要做的事情,并且周期性地调用 ros::spinOnce()来处理回调。

贴上代码

 // This program subscribes to turtle1/pose and shows its// messages on the screen .#include <ros/ros.h>#include <turtlesim/Pose.h>#include <iomanip> // for std::setprecision and std::fixed// A callback function . Executed each time a new pose// message arrives .void poseMessageReceived (const turtlesim::Pose &msg ) {ROS_INFO_STREAM( std::setprecision(2) << std::fixed<< "position =("<< msg.x << "," << msg.y << ")"<< "*direction=" << msg.theta ) ;}int main ( int argc , char **argv ) {// Initialize the ROS system and become a node .ros::init ( argc , argv , "subscribe_to_pose" ) ;ros::NodeHandle nh ;// Create a subscri ber object .ros::Subscriber sub = nh.subscribe ("turtle1/pose" ,1000,&poseMessageReceived ) ;// Let ROS take over .ros::spin ( ) ;}

5.日志消息

1.级别

DEBUG、INFO、WARN、ERROR、FATAL

级别旨在提供一种区分和管理日志消息的全局方法

2.生成日志消息

生成简单的日志消息

#这些都是宏
ROS_DEBUG_STREAM(message);
ROS_INFO_STREAM(message);
ROS_WARN_STREAM(message);
ROS_ERROR_STREAM(message);
ROS_FATAL_STREAM(message);

生成一次性日志消息

ROS_DEBUG_STREAM_ONCE(message);
ROS_INFO_STREAM_ONCE (message);
ROS_WARN_STREAM_ONCE (message);
ROS_ERROR_STREAM_ONCE (message);
ROS_FATAL_STREAM_ONCE (message);

3.查看日志消息

rqt_console：显示所有结点的日志消息

4.检查和清除日志文件

查看当前账户中被ROS日志消耗的硬盘空间 :rosclean check
如果日志正在消耗过多的硬盘空间,可以通过下面的命令删除所有已经存在的日志:rosclean purge

6.launch文件

launch文件的作用

同时启动节点管理器和多个节点

启动方式

roslaunch package-name launch-file-name

如何编写launch文件

1.根元素

<launch>
...
<launch>

2.写节点

<node
pkg=package-name”
type=executable-name”
name=node-name”
/>注意：如果有remap或在param元素这样的子节点，就需要加上</node>标签，称为显式结束标签
<node pkg=”...” type=”...” name=”...”></node>

3.节点中的元素

pkg、type就不在这多讲了
name给节点指派了名称，可以覆盖其他赋予节点的名称
output=screen” 可以在控制台中输出信息（等校于roslaunch –screen package-name launch-file-name）
respawn=“true” 请求复位，可以在节点停止的时候重启该节点，常常用于必要节点
required=”true”在一个必要节点关闭的时候可以关闭其他节点

launch文件的缺点：对于launch文件启动的节点是共用一个终端的，如果有需要控制台控制的节点则建议使用rosrun单独启动，例如键盘控制节点

节点元素使用启动前缀（launch-prefix）属性：launch-prefix=“command-prefix”
xterm–e rosrun turtlesim turtle_teleop_key，xterm-e会开启一个终端窗口来运行rosrun的代码

4.包含其他launch文件

<include file="path-to-launch-file”>（这里路径需要完整路径，建议使用下边这种方法）
或者
<include file=$(find package-name)/launch-file-name”>

5.启动参数（这个目前没怎么用过但还是记一下笔记吧）

我们可以在roslaunch命令行中修改参数，但是只能改default的值，改不了value的值，因此有了下边这种写法

<incluce file=”path–to-launch-file”>
<arg name=”arg-name” value=”arg-value”/>
...
</include>

6.创建组

可以将许多节点放在同一命名空间下，写法为

<group ns=”namespace”/>
...
</group>

且组可以有条件的使能或者禁用一个节点

<group if=”0 or 1”/>
</group>
在这里，如果if的属性值是1，那么该标签内元素就正常包含，反之会被忽略
unless意思相反

注意：1.一般不会直接设置为0或1，灵活运用启动参数，丰富启动文件的可配置性

2.组不是必须的，当然我们也可以单独为每个节点配置if，ns等属性

3.有些属性不能通过组来传递，例如output=”screen”，我们需要单独为节点设置该属性

csdn上看到这边笔记也很棒：launch文件

7.参数

1.基础操作

查看参数列表：rosparam list
查询某个参数的值：rosparam get /参数
- 例如：rosparam get /rosistro 得到的是ros的操作版本
设置参数：rosparam set 参数名值

同时设置一个命名空间中的几个参数
rosparam set /duck_colors "huey: red
dewey: blue
louie: green
webby: pink"
注意：第一个引号告诉bash 命令尚未完成，因此按下回车时终端将会插入一个换行符而不是执行命令

创建参数文件：rosparam dump filename namespace
加载参数文件：rosparam load filename namespace（namespace默认是全局命名空间/）

2.案例

设置背景颜色后，只有调用turtlesim_node的/clear服务后才会从参数服务器读取参数的值
- 调用该服务：rosservice call /clear

3.使用ROS参数的C++接口

void ros::param::set(parameter_name, input_value);
bool ros::param::get(parameter_name, output_value);

4.启动文件中设置参数

<node
pkg="agitr"
type="pubvel_with_max"
name="publish_velocity"
/>
<param name="max_vel" value="3" />
</node>

8.服务

服务调用是双向的，节点消息发出去后会等待响应
实现的是一对一的通讯，每个服务由一个节点发起，响应也返回同一个节点。每一个消息都和一个话题相关，该话题可能有很多个发布者和订阅者

1.概念

客户端（client）：发送请求到服务器节点等待响应

服务端（server）：接受到请求后作出响应，响应可以是配置，改变某些行为

请求和响应携带的内容由数据类型决定，数据类型分为两部分：客户端和服务端

2.服务查询

rosservice list：查询活跃的服务，输出的服务名称是全局名称

rosnode info node-name：查看某个节点的服务类型

rosservice node service-name：查看服务是由哪个节点发出的

rosservice info service-name:查看服务的数据类型

roscrv show service-date-type-name：查看服务数据类型的详情（即发布和响应的数据字段，字段可以同时为空）

注意区分rosservice和rossrv的区别

	Topics	Services
active things	rostopic	rosservice
date types	rosmsg	rossrv

3.两类服务类型

一些服务：由特定节点获取或传递信息，例如get_loggers 和 set_logger_level
其他服务：不针对某些特定节点的服务，我们调用该服务时只关心服务的结果，而不关心服务是由哪个节点产生的

4.从命令行调用服务

rosservice call service-name request-content

例如：rosservice call /spawn 3 3 0 Mikey 这条服务调用的效果是在现有仿真器中,位置 ( x , y ) = (3,3) 处创建一个名为“Mikey”的新海龟,其朝向角度 θ = 0 。这些新的资源都在新的命名空间Mikey中，很好的阐明了命名空间可以有效的阻止命名冲突

5.客户端程序

1.声明请求和响应的类型

#include <package_name/type_name.h>

2.创建客户端对象

首先ros::init和创建NodeHandle句柄

ros::ServiceClient client = node_handle.serviceClient<service_type>(
service_name);

node_handle 是常用的 ros::NodeHandle 对象,这里我们将调用它的 serviceClient 方法
service_type 是我们在上面头文件中定义的服务对象的数据类型
service_name 是一个字符串,说明了我们想要调用的服务名称。再次强调,这应当是一个相对名称,虽然也可以声明为全局名称。

与发布者不同的是，服务不需要设置队列大小，服务调用直到响应后才会返回，所以不用维持发送状态

3.创建请求和响应对象

定义请求和响应的类，命名为Request和Response

4.声明依赖

编辑 CMakeLists.txt 和清单文件 packag.xml

贴上代码

// This program spawns a new turtlesim turtle by calling// the appropriate service .#include <ros/ros.h>// The srv class for the service .#include <turtlesim/Spawn.h>int main( int argc , char ** argv ) {ros::init( argc , argv , "spawn_turtle") ;ros::NodeHandle nh ;// Create a client object for the spawn service . This// needs to know the data type of the service and its// name.ros::ServiceClient spawnClient= nh.serviceClient <turtlesim::Spawn>("spawn") ;// Create the request and response objects.turtlesim::Spawn::Request req ;turtlesim::Spawn::Response resp ;// Fill in the request data members.// 不能在这里给Response对象赋值req.x = 2;req.y = 3;req.theta = M_PI/2;req.name = "Leo" ;// Actually c a l l the service. This won't return until// the service is complete .// 这一步是在调用服务bool success = spawnClient.call( req , resp ) ;// Check for success and use the response .核对服务调用的返回值i f ( success ) {ROS_INFO_STREAM("Spawned␣ a␣ turtle␣ named␣ "<< resp.name) ;} else {ROS_ERROR_STREAM("Failed␣ to␣ spawn.") ;}}

6.服务器程序

当接受到请求时，进入回调函数，Request来自于客户端的数据

1.编写服务的回调函数

bool function_name(
package_name::service_type::Request &req),
package_name::service_type::Response &resp)
) {
...
}

当回调函数返回true表明成功，false表明失败

2.创建对象

ros::ServiceServer server = node_handle.advertiseService(
service_name,pointer_to_callback_function);

最后一个参数是指向回调函数的指针

3.注意

因为用到了回调函数，所以我们需要提供ROS控制权

贴上代码

 // This program t oggles between rotation and translation// commands, based on calls to a service .#include <ros/ros.h>#include <std_srvs/Empty.h>#include <geometry_msgs/Twist.h>bool forward = true ;bool toggleForward (std_srvs::Empty::Request &req ,std_srvs::Empty::Response &resp) {forward = !forward ;ROS_INFO_STREAM("Now␣ sending␣ " << ( forward ?"forward" : " rotate ") << "␣ commands.") ;return true ;}int main( int argc , char ** argv ) {ros::i n i t ( argc , argv , "pubvel_toggle") ;ros::NodeHandle nh ;// Register our service with the master .ros::ServiceServer server = nh.advertiseService ("toggle_forward" , &toggleForward ) ;// Publish commands, using the latest value for forward ,// until the node shuts down.ros::Publisher pub = nh.advertise <geometry_msgs::Twist>("turtle1/cmd_vel" , 1000) ;ros::Rate rate (2) ;while ( ros::ok () ) {geometry_msgs::Twist msg ;msg.linear.x = forward ? 1.0 : 0.0 ;msg.angular.z = forward ? 0.0 : 1.0 ;pub.publish (msg) ;ros::spinOnce () ;rate.sleep () ;}}

缺陷分析

代码中有延迟，原因是sleep系统会以较低的频率进行循环，大部分时间处于休眠，大部分服务调用在sleep执行时到达，等待后再执行

解决方案

使用两个线程：一个发布消息，一个处理服务回调
使用ros::spin来代替sleep/ros::spinOnce循环,并且利用计数器回调函数(timer callback) 来发布消息

9.消息的录制与回放

使用包（bag）文件来录制和回放信息

通过 rosbag,我们能够将发布在一个或者多个话题上的消息录制到一个包文件中,然后可以回放这些消息,重现相似的运行过程。将这两种能力结合,便形成了测试某些机器人软件的有效方式:我们可以偶尔运行机器人,运行过程中录制关注的话题,然后多次回放与这些话题相关的消息,同时使用处理这些数据的软件进行实验。

1.录制和回放包文件

录制包文件：rosbag record -O filename.bag topic-names（如果不指定文件名，就会基于日期和时间自动生成文件名）
也可以使用rosbag record -a记录当前所有话题的消息
Ctrl+C停止rosbag
回放包文件：rosbag play filename.bag
检查文件包：rosbag info filename.bag

2.注意

rosbag如果没有记录初始状态，则在回放时会在结束时刻的位置开始回放

3.放入launch文件

方法：包括适当的节点元素

录制节点

<node
pkg="rosbag"
name="record"
type="record"
args="-O filename.bag topic-names"
/>

回放节点

<node
pkg="rosbag"
name="play"
type="play"
args="filename.bag"
/>

10.提升

1.规范代码

2.将数据可视化

3.创建消息和服务类型

4.使用TF工具管理多个坐标系

5.使用Gazebo仿真