ROS入门(一)——基本概念和话题

1、环境搭建

  • 虚拟机 VMware
    VMware Workstation Pro 15.0.0 Build 10134415
    https://download3.vmware.com/software/wkst/file/VMware-workstation-full-15.0.0-10134415.exe

  • 操作系统 Ubuntu 18.04.4 LTS 桌面64位
    http://mirrors.aliyun.com/ubuntu-releases/18.04.4/

  • ROS安装

    1. 添加ROS软件源。

      $ sudo sh -c 'echo "deb http://packages.ros.org/ros/ubuntu $(lsb_release -sc) main" > /etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list'

    2. 添加密钥。

      $ sudo apt-key adv --keyserver 'hkp://keyserver.ubuntu.com:80' --recv-key C1CF6E31E6BADE8868B172B4F42ED6FBAB17C654

    3. 更新软件源。

      $ sudo apt-get update

    4. 安装ROS。

      $ sudo apt-get install ros-melodic-desktop-full
$ sudo apt-get dist-upgrade

    5. 初始化rosdep。

      $ sudo rosdep init
$ rosdep update

    6. 设置环境变量。

      $ echo "source /opt/ros/melodic/setup.bash" >> ~/.bashrc

    7. 安装rosinstall。

      $ sudo apt install python-rosinstall python-rosinstall-generator python-wstool build-essential

    8. 例程。

      $ roscore
$ rosrun turtlesim turtlesim_node
$ rosrun turtlesim turtle_teleop_key

  • ubuntu 下的 Linux 命令：

    • Ubuntu 终端快捷键：ctrl + alt + T。
    • 查看当前路径：pwd 。
    • 切换 / 进入路径：cd 路径 。
    • 返回上一级目录：cd .. 。
    • 创建新文件夹：mkdir 文件夹 。
    • 查看路径下的文件：ls 。
    • 创建新文件：touch 文件名 。
    • 剪切文件到新路径：mv 文件名 新路径 。
    • 复制文件到新路径：cp 文件名 新路径 。
    • 删除文件：rm 文件名 。
    • 删除文件夹：rm -r 文件夹 。
    • 提升当前用户权限：sudo 。
    • 帮助指令：--help 。

  • 在 linux 下运行 C++ 文件：

    • 首先在终端进入文件目录下。
    • 编译：g++ 文件名.cpp -o 编译文件名。
    • 运行：./编译文件名。
    • 如果是运行 python 文件直接：python 文件名.py。
    • 注意 ROS 下的是 python2 版本。

2、ROS核心概念

  • ROS = 通信机制 + 开发工具 + 应用功能 + 生态系统，目的是提高机器人开发中软件的复用率。

  • 节点与节点管理器：

  • 话题通信（异步通信，无反馈）：

  • 服务通信（同步通信，有反馈）：

  • 话题和服务的区别：

  • 参数（存储在参数服务器中）：适合存储静态数据。

  • ROS文件系统：

3、ROS基本使用

  • 命令行工具：
    • 单击 tab 可补全命令，双击 tab 可显示信息。
    • roscore：启动节点服务器。
    • rqt_graph：显示系统计算图。
    • rosnode 具体指令：显示系统中的节点信息，后接具体指令。
      • list：获取所有的节点列表。
      • info /节点名：查看某个节点的信息。
    • rostopic 具体指令：显示系统中的话题信息，后接具体指令。
      • list：获取所有的话题列表。
      • pub /话题名 消息类型 具体数据：获取话题传输的数据。
        • pub 后可跟 -r 频率 ，表示一秒中发布的次数，不设置则话题只会发布一次。
    • rosmsg show 消息类型：显示小数类型的具体数据格式。
    • rosservice 具体指令：显示系统中的服务信息，后接具体指令。
      • list：获取所有的话题列表。
      • call /服务名 服务内容：设置服务内容，调用服务，返回服务名称。
    • rosbag 具体指令：使用话题存储数据。
      • record -a -o 文件名：记录数据。-a 表示记录所有数据，-o 表示将数据存储到指定文件名的压缩包中。
      • play 文件名：复现记录的数据。
  • ROS 工作空间：
    • src：代码空间。源代码和功能包等。
    • build：编译空间。编译中间文件。
    • devel：开发空间。可执行文件。
    • install：安装空间。安装结果。
    • 创建工作空间：
      • mkdir -p ~/工作空间名/src。
      • cd ~/工作空间名/src。
      • catkin_init_workspace。
    • 编译工作空间：
      • cd ~/工作空间名/。编译目录要回到工作空间根目录。
      • catkin_make。后加 install 会产生 install 文件夹。
    • 设置环境变量：
      • source devel/setup.bash。
    • 检测环境变量：
      • echo $ROS_PACKAGE_PATH。
    • 创建功能包：
      • catkin_create_pkg 功能包名 依赖包。比如依赖 C++、python 要写 roscpp、rospy，依赖标准消息格式要写 std_msgs。
      • 创建功能包要在 src 目录中操作。
    • 编译功能包：
      • 回到工作空间根目录下编译工作空间。
      • 同一个工作空间中不允许存在同名功能包。不同工作空间中可以存在同名功能包。
    • 配置文件：
      • package.xml：功能包的相关信息和依赖包。
      • CMakeLists.txt：描述功能包的编译规则。

3、话题的实现

  • 发布者 Publisher 的实现：

    • 创建功能包(工作空间src目录下)：catkin_create_pkg learning_topic roscpp rospy std_msgs geometry_msgs turtlesim。

    • 初始化 ROS 节点，赋予节点名称。

    • 向 ROS Master 注册节点信息，设置消息类型，传入话题名称和队列（用于缓冲数据）长度。

    • 创建消息数据，并循环发布。

    • C++ 实现：

      • 首先需要将文件放入功能包下的目录。

      • 配置 CMakeLists.txt 中的编译规则。

        • 在 Build 模块下，参数空格分隔。
        • 设置生成好可执行文件名和需要编译的代码：add_executable(velocity_publisher src/velocity_publisher.cpp)。
        • 设置生成的可执行文件所链接的库：target_link_libraries(velocity_publisher ${catkin_LIBRARIES})。

      • 回到工作空间的根目录下。

        • 编译工作空间。

          $ catkin_make
$ source devel/setup.bash
          • 可将 source devel/setup.bash 添加到 home 下的隐藏文件 .bashrc 的最底部作为环境变量。这样不必每次都调用该指令。

        • 运行功能包下的 C++ 文件。

          $ roscore
$ rosrun turtlesim turtlesim_node
$ rosrun learning_topic velocity_publisher

      • C++ 源代码：

        /**
 * 该例程将发布turtle1/cmd_vel话题，消息类型geometry_msgs::Twist
 */
 
#include <ros/ros.h>
#include <geometry_msgs/Twist.h>

int main(int argc, char **argv)
{
	// ROS节点初始化
	ros::init(argc, argv, "velocity_publisher");

	// 创建节点句柄
	ros::NodeHandle n;

	// 创建一个Publisher，发布名为/turtle1/cmd_vel的topic，消息类型为geometry_msgs::Twist，队列长度10
	ros::Publisher turtle_vel_pub = n.advertise<geometry_msgs::Twist>("/turtle1/cmd_vel", 10);

	// 设置循环的频率
	ros::Rate loop_rate(10);

	int count = 0;
	while (ros::ok())
	{
	    // 初始化geometry_msgs::Twist类型的消息
		geometry_msgs::Twist vel_msg;
		vel_msg.linear.x = 0.5;
		vel_msg.angular.z = 0.2;

	    // 发布消息
		turtle_vel_pub.publish(vel_msg);
		ROS_INFO("Publsh turtle velocity command[%0.2f m/s, %0.2f rad/s]", 
				vel_msg.linear.x, vel_msg.angular.z);

	    // 按照循环频率延时
	    loop_rate.sleep();
	}

	return 0;
}

    • Python 实现：

      • 不需要设置编译，但要确认 .py 文件的属性中，可被作为可执行文件运行。

      • 其他流程类似，注意最后运行时一定要在文件名后加 .py 后缀。

      • 在 Python 中 ROS 节点初始化中的节点名、函数名要一致。

      • "/turtle1/cmd_vel" 是 turtlesim 默认订阅的的运动控制话题。

      • Python 源代码：

        #!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-
# 该例程将发布turtle1/cmd_vel话题，消息类型geometry_msgs::Twist

import rospy
from geometry_msgs.msg import Twist

def velocity_publisher2():
	# ROS节点初始化
    rospy.init_node('velocity_publisher2', anonymous=True)

	# 创建一个Publisher，发布名为/turtle1/cmd_vel的topic，消息类型为geometry_msgs::Twist，队列长度10
    turtle_vel_pub = rospy.Publisher('/turtle1/cmd_vel', Twist, queue_size=10)

	#设置循环的频率
    rate = rospy.Rate(10) 

    while not rospy.is_shutdown():
		# 初始化geometry_msgs::Twist类型的消息
        vel_msg = Twist()
        vel_msg.linear.x = 0.5
        vel_msg.angular.z = 0.2

		# 发布消息
        turtle_vel_pub.publish(vel_msg)
    	rospy.loginfo("Publsh turtle velocity command[%0.2f m/s, %0.2f rad/s]", 
				vel_msg.linear.x, vel_msg.angular.z)

		# 按照循环频率延时
        rate.sleep()

if __name__ == '__main__':
    try:
        velocity_publisher2()
    except rospy.ROSInterruptException:
        pass

  • 订阅者 Subsceiber 的实现：

    • 初始化 ROS 节点并赋予节点名。

    • 定于所需要的话题名、队列长度和回调函数。

    • 循环等待话题消息，接收到消息后进入回调函数。

    • 在回调函数中进行消息处理。

    • "/turtle1/pose" 是 turtlesim 默认发布的的运动姿态话题。

    • Python 实现：

      #!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-
# 该例程将订阅/turtle1/pose话题，消息类型turtlesim::Pose

import rospy
from turtlesim.msg import Pose

def poseCallback(msg):
    rospy.loginfo("Turtle pose: x:%0.6f, y:%0.6f", msg.x, msg.y)

def pose_subscriber():
	# ROS节点初始化
    rospy.init_node('pose_subscriber', anonymous=True)

	# 创建一个Subscriber，订阅名为/turtle1/pose的topic，注册回调函数poseCallback
    rospy.Subscriber("/turtle1/pose", Pose, poseCallback)

	# 循环等待回调函数
    rospy.spin()

if __name__ == '__main__':
    pose_subscriber()

  • 话题消息的定义与使用（自定义话题消息）：

    • 创建 msg 文件夹并在其下创建 Person.msg 文件（touch Person.msg），并消息格式为：

      string name
uint8 sex
uint8 age

uint8 unknown = 0
uint8 male = 1
uint8 female = 2

    • 在 package.xml 中添加功能包依赖。即编译依赖 message_generation，运行依赖 message_runtime。

      <build_depend>message_generation</build_depend>
<exec_depend>message_runtime</exec_depend>

    • 在 CMakeLists.txt 中添加编译选项。

      • 在 find_package() 中添加 message_generation。

      • 定义消息接口，在 Declare ROS messages, services and actions 下。

        add_message_files(FILES Person.msg)
generate_messages(DEPENDENCIES std_msgs)
        • 第一行表示将 Person.msg 作为一个消息接口，第二行表示该消息接口的依赖。

      • 在 catkin_package 中添加运行时依赖。

        catkin_package(
   CATKIN_DEPENDS geometry_msgs roscpp rospy std_msgs turtlesim message_runtime
)
        • 去掉 CATKIN_DEPENDS 前的注释，并在其后添加 message _runtime。

    • 创建发布者和订阅者（C++实现）：

      • 发布者：

        /**
 * 该例程将发布/person_info话题，自定义消息类型learning_topic::Person
 */
 
#include <ros/ros.h>
#include "learning_topic/Person.h"

int main(int argc, char **argv)
{
    // ROS节点初始化
    ros::init(argc, argv, "person_publisher");

    // 创建节点句柄
    ros::NodeHandle n;

    // 创建一个Publisher，发布名为/person_info的topic，消息类型为learning_topic::Person，队列长度10
    ros::Publisher person_info_pub = n.advertise<learning_topic::Person>("/person_info", 10);

    // 设置循环的频率
    ros::Rate loop_rate(1);

    int count = 0;
    while (ros::ok())
    {
        // 初始化learning_topic::Person类型的消息
    	learning_topic::Person person_msg;
		person_msg.name = "Tom";
		person_msg.age  = 18;
		person_msg.sex  = learning_topic::Person::male;

        // 发布消息
		person_info_pub.publish(person_msg);

       	ROS_INFO("Publish Person Info: name:%s  age:%d  sex:%d", 
				  person_msg.name.c_str(), person_msg.age, person_msg.sex);

        // 按照循环频率延时
        loop_rate.sleep();
    }

    return 0;
}

      • 订阅者：

        /**
 * 该例程将订阅/person_info话题，自定义消息类型learning_topic::Person
 */
 
#include <ros/ros.h>
#include "learning_topic/Person.h"

// 接收到订阅的消息后，会进入消息回调函数
void personInfoCallback(const learning_topic::Person::ConstPtr& msg)
{
    // 将接收到的消息打印出来
    ROS_INFO("Subcribe Person Info: name:%s  age:%d  sex:%d", 
			 msg->name.c_str(), msg->age, msg->sex);
}

int main(int argc, char **argv)
{
    // 初始化ROS节点
    ros::init(argc, argv, "person_subscriber");

    // 创建节点句柄
    ros::NodeHandle n;

    // 创建一个Subscriber，订阅名为/person_info的topic，注册回调函数personInfoCallback
    ros::Subscriber person_info_sub = n.subscribe("/person_info", 10, personInfoCallback);

    // 循环等待回调函数
    ros::spin();

    return 0;
}

    • 在 CMakeLists.txt 中设置编译规则。处理之前的设置可执行文件和编译代码、设置链接库以外，还需要添加依赖项。

      add_executable(person_publisher src/person_publisher.cpp)
target_link_libraries(person_publisher ${catkin_LIBRARIES})
add_dependencies(person_publisher ${PROJECT_NAME}_generate_messages_cpp)

add_executable(person_subscriber src/person_subscriber.cpp)
target_link_libraries(person_subscriber ${catkin_LIBRARIES})
add_dependencies(person_subscriber ${PROJECT_NAME}_generate_messages_cpp)

    • 再进行编译并运行发布者和订阅者。

      $ cd ~/workspace0
$ catkin_make
$ roscore
$ rosrun learning_topic person_subscriber
$ rosrun learning_topic person_publisher

    • 如果在建立连接后，关闭 ROS Master（即roscore命令行），二者的连接不会中断。

  • 创建发布者和订阅者（Python实现）：

    • 发布者：

      #!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-
# 该例程将发布/person_info话题，自定义消息类型learning_topic::Person

import rospy
from learning_topic.msg import Person

def velocity_publisher():
	# ROS节点初始化
    rospy.init_node('person_publisher', anonymous=True)

	# 创建一个Publisher，发布名为/person_info的topic，消息类型为learning_topic::Person，队列长度10
    person_info_pub = rospy.Publisher('/person_info', Person, queue_size=10)

	#设置循环的频率
    rate = rospy.Rate(10) 

    while not rospy.is_shutdown():
		# 初始化learning_topic::Person类型的消息
    	person_msg = Person()
    	person_msg.name = "Tom";
    	person_msg.age  = 18;
    	person_msg.sex  = Person.male;

		# 发布消息
        person_info_pub.publish(person_msg)
    	rospy.loginfo("Publsh person message[%s, %d, %d]", 
				person_msg.name, person_msg.age, person_msg.sex)

		# 按照循环频率延时
        rate.sleep()

if __name__ == '__main__':
    try:
        velocity_publisher()
    except rospy.ROSInterruptException:
        pass

    • 订阅者：

      #!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-
# 该例程将订阅/person_info话题，自定义消息类型learning_topic::Person

import rospy
from learning_topic.msg import Person

def personInfoCallback(msg):
    rospy.loginfo("Subcribe Person Info: name:%s  age:%d  sex:%d", 
			 msg.name, msg.age, msg.sex)

def person_subscriber():
	# ROS节点初始化
    rospy.init_node('person_subscriber', anonymous=True)

	# 创建一个Subscriber，订阅名为/person_info的topic，注册回调函数personInfoCallback
    rospy.Subscriber("/person_info", Person, personInfoCallback)

	# 循环等待回调函数
    rospy.spin()

if __name__ == '__main__':
    person_subscriber()

    • 无论是 C++ 还是 Python 都要记得引入生成的 Person 消息类型。


参考：古月ROS入门21讲：https://www.bilibili.com/video/BV1zt411G7Vn?p=21

出处：https://www.cnblogs.com/iwehdio/p/12721349.html

——————来源于结束于否定之否定。——————