在上一篇文章中我们安装好了ROS环境。本篇文章我们将熟悉ROS中的一些概念（Concept），并尝试使用C++来实现一个发布器(Publisher)和一个订阅器(Subscriber)。

该文章是个人学习ROS的过程记录，参考的书是中文版《ROS机器人编程：原理与应用》，英文版为A Systematic Approach to Learning Robot Programming with ROS，该书代码托管在作者wsnewman的github上，感谢作者的辛苦付出。

该篇文章分为以下几个部分：

  1. ROS概念
  2. 在ROS中实现一个发布器
  3. 运行你的发布器

1. ROS

我仅仅列举了几个本篇文章将会涉及到的概念，这些概念的定义来源于ROS Wiki，有兴趣可以进一步深入了解。

1.1 ROS 文件系统

主要是介绍在ROS中的文件组织方式，类似于Python中包(Package)的文件组织形式。

  • Packages: ROS包是ROS中程序的主要组织单元，在一个包中可能包含一系列相关的节点（nodes)，ROS依赖库，配置文件等等。ROS包是你可以编译及发行的最小单元了，大部分时候你执行编译操作时便是在编译包。
  • Package.xml: 主要是用来描述包，提供关于包的一些信息，包括包名称，版本，简述，版权信息，依赖等等。
  • 消息类型：对话题(topic)中的消息进行定义，以便发布器/订阅器都能正确编码/解码字节流。

1.2 ROS概念

  • 节点(Nodes): 节点就是可执行文件，该可执行文件可能是你使用roscpp或者rospy创建的。

  • Master: 在上一篇文章中我们运行过命令roscore该命令的作用之一就是启动ROS Master，Master主要是提供名称注册与解析，以便每个节点可以通过名称来找到另外的节点。

  • 消息(message)：节点通过消息来完成彼此之间的交流，消息是一个类似于struct的数据结构，其中可能包含几个字段。举个例子：在路径/opt/share/melodic/share/std_msgs/msg(如果你是像我上篇文章中那样安装的)中，你可以看到许多的消息定义，打开一个比如说ColorRGBA.msg，内容如下:

  • float32 r;
float32 g;
float32 b;
float32 a;
  • 话题(topic): 话题由话题名(topic name)表示，你可以把它想象为一个邮箱，发布器认为我只需要把消息投放到邮箱里就行了，而订阅器认为我只需要去这个邮箱拿消息就行了，因为节点交流的本质是传递消息，话题只是指明一个双方约定好的交流路径。整个过程可以如下的图来表示
  • ROS.png

  • 2. 在ROS中实现一个发布器

    2.1 创建工作区和包

    在编写ROS程序之前，首先要建议一个ROS工作区，之后的编写工作都将在该工作区下进行，工作区有一定的格式，你可以选择在你的home目录下创建，依次输入以下几行命令

  • mkdir -p ~/catkin_ws/src # 创建工作区
cd ~/catkin_ws/src # 进入工作区
# catkin_create_pkg package_name(包名称) dependencies（依赖)
catkin_create_pkg my_minimal_node roscpp std_msgs #新建一个ROS包
  • image.png

  • 创建完成以后，我们可以看到在目录my_minimal_node下多了两个文件(package.xml ,CMakeLists.txt)和两个文件夹(src, include)。

    其中的package.xml便是之前提到的ROS包配置文件，描述关于包的信息。CMakeLists.txt是用来配置编译过程，这是本篇文章所主要使用的两个文件。

    2.2 修改package.xml

    首先我们来修改package.xml，在编辑器中打开该文件，可以看到文件中包含了大量的注释，这些注释都是来指导你该如何书写该文件。

    一般说来我们应该包括<name>，<version>，<description>，<maintanner>，<license>，<author>，<build_depend>，<build_export_depend>， <exec_depend>便可以了，这部分大家可以按照自己的信息进行修改。

    修改后的package.xml类似于下面的内容，当然你也可以不修改，对于这一篇内容来说，这无关紧要。

  • <?xml version="1.0"?>
<package format="2">
  <name>my_minimal_node</name>
  <version>0.1.0</version>
  <description>The my_minimal_node package</description>
  <maintainer email="gnc@todo.todo">gnc</maintainer>
  <license>MIT</license>
  <author email="sharku">Jane Doe</author>
  <buildtool_depend>catkin</buildtool_depend>
  <build_depend>roscpp</build_depend>
  <build_depend>std_msgs</build_depend>
  <build_export_depend>roscpp</build_export_depend>
  <build_export_depend>std_msgs</build_export_depend>
  <exec_depend>roscpp</exec_depend>
  <exec_depend>std_msgs</exec_depend>
</package>

  • 2.3 编写第一个简单的ROS程序-发布器

    进入到目录~/catkin_ws/src/my_minimal_node/下，在该目录下的src文件夹创建minimal_publisher.cpp，内容如下，代码内容也可以在文章最开始给出的github中找到。

  • #include <ros/ros.h>
#include <std_msgs/Float64.h>

int main(int argc, char **argv) {
    ros::init(argc, argv, "minimal_publisher"); // 初始化节点名
    ros::NodeHandle n; // 
    ros::Publisher my_publisher_object = n.advertise<std_msgs::Float64>("topic1", 1); // 创建一个发布器，调用advertise通知ROS Master话题名称以及话题类型
    //"topic1" 是话题名
    // 参数 "1" 是queue_size，表示缓冲区大小
    
    std_msgs::Float64 input_float; // 创建一个发布器将要使用的消息变量
    // 该消息定义在： /opt/ros/indigo/share/std_msgs
    // 在ROS中发布的消息都应该提前定义，以便订阅者接收到消息后该如何解读
	// Float64消息的定义如下，其中包含一个数据字段data：
	// float64 data
	
    input_float.data = 0.0; // 设置数据字段
    
    
    // 程序所要做的工作将在下面的循环里完成
    while (ros::ok()) 
    {
        // 该循环没有sleep，因此将一直处于运行状态，不断消耗CPU资源
        input_float.data = input_float.data + 0.001; //每循环一次+0.01
        my_publisher_object.publish(input_float); // 发布消息到对应的话题
    }
}

  • 代码中，#include <ros/ros.h>表示包含ROS头文件，#include <std_msgs/Float64.h>表示包含标准消息类型中的Float64，它的具体类型是float64。

    在上述代码中，在main函数中，首先对ROS进行初始化，调用ros::init定义了节点名称。然后定义了ros::NodeHandle该变量用来创建一个发布者，通过调用函数.advertise，表示向Master声明我要注册一个话题名为topic1，然后我将会向该话题发布消息，然后返回一个发布器对象。随后我们便可以调用该发布器的.publish来进行消息的发布。

    其余部分的解释可以看代码中的注释。

    2.4 修改CMakeLists.txt文件

    在编写了发布器的程序以后，我们还必须在CMakeLists文件中进行声明，以便让编译器知道应该编译新增的文件。

    在CMakeLists文件的最后一行加入下面两行代码：

  • add_executable(my_minimal_publisher src/minimal_publisher.cpp) # 第一个参数是生成后的可执行文件名 第二个参数
# 是源文件路径名
target_link_libraries(my_minimal_publisher ${catkin_LIBRARIES}) # 链接库
  • 然后关闭文件，打开终端，导航到目录~/catkin_ws/下，运行命令catkin_make即可编译我们刚刚创建的文件。
  • image.png

  • 有可能你的输出结果和我这里显示的不同，因为我已经编译过了，所以编译器没有执行任何动作。

    3. 运行你的发布器

    在上面的编译过程没有出现问题的情况下，那么你的编译就成功了，接下来我们来运行我们刚刚编写的发布器。

    3.1 将工作区路径加入你的终端

    类似于$PATH变量，ROS也有自己的路径变量，用来搜索所有的ROS包，因为到这里我们还没有将我们的ROS包加入到ROS路径中去，因此在运行的时候会找不到我们的ROS包。

    不过幸运的是，ROS帮我们生成了一个方便的编译脚本，位于路径~/catkin_ws/devel/setup.bash下。如果我们直接运行source ~/catkin_ws/devel/setup.bash那么只会在当前的终端下生效，当你重新打开一个终端，又会无效。因此，我们需要将上面的命令加入到启动脚本中，运行下面的命令完成：

  • echo "source  ~/catkin_ws/devel/setup.bash" >>  ~/.bashrc

  • 之后你的终端在启动时都将首先运行该命令，然后ROS就可以找到你的程序了。

    3.2 启动发布器

    打开终端，运行命令：

  • roscore # 启动ROS Master
  • roscore.png
  • 然后运行：
  • rosrun my_minimal_node my_minimal_publisher # 启动发布器
  • rosrun.png

  • 启动以后，尽管看起来什么都没有发生，但是事实上发布器已经在不断发布消息了。下面我们用ros工具来查看该发布器。

    运行命令：

  • rosnode list # rosnode list 用来列出当前ROS中运行的节点名
  • rosnode.png

  • 我们可以得到当前ROS系统运行的节点名称，可以看到我们初始化的节点名称出现在了该列表中，证明我们的发布器的确在运行中。

    然后运行命令：

  • rostopic list # rostopic list 用来列出当前ROS中所有的话题名
  • rostopic.png
  • 同样可以看到我们注册的话题名称topic1。然后运行命令：
  • rostopic  hz /topic1 # rostopic hz 用来检查话题的发布频率
  • ros-hz.png
  • 可以看到发布平均频率是3.3kHz，发布频率比较高，因此造成的问题是长时间占用CPU。如下图所示：
  • CPU.png
  • 这一问题在之后我们将使用sleep方法来设置一个合适的发布频率。然后运行命令：
  • rostopic echo -n1 /topic1 # rostopic echo 用来显示话题的消息 -n1代表只接收一次
  • rosdata.png

  • 可以看出输出值为192239.12749，因此通过简单的计算便可以得出程序已经循环了19223912次左右。

    视频

    ROS编写第一个发布器程序

    以上所有过程我录制了一个视频，在浏览文章过程中如果遇到问题，您可以查看视频来看看我是怎么做的。