ROS基础学习（一）
参考古月居胡春旭ROS入门21讲视频等内容，跟着练习整理
ROS基本概念
ROS（Robot Operating System）是一个适用于机器人的开源的元操作系统。是一种新的标准化机器人软件框架，它提供了操作系统应有的服务，为机器人开发提供包括硬件抽象，底层驱动，消息传递，程序管理，应用原型等功能机制，并整合了许多第三方工具和库文件。ROS被设计为一种分布式结构，框架中每个功能模块都可以被单独设计、编译，并且运行时以松散耦合方式结合在一起，它也提供用于获取、编译、编写、和跨计算机运行代码所需的工具和库函数。
工作空间（workspace）；是ROS存放工程开发相关文件的文件夹，工作空间中一般包括四个目录空间：src（代码空间）：最常用的文件夹，用来储存所有ROS功能包的源码文件；build（编译空间）：储存编译过程中的缓存信息和中间文件；devel（开发空间）：放置编译生成的可执行文件；install（安装空间）：编译成功后使用make install执行安装文件到该空间，运行该空间中的环境变量脚本，在终端运行这些可执行文件。
功能包（package）：是ROS应用程序代码的组织单元，每个软件包都可以包含程序库、节点、可执行文件、脚本或者其它手动创建的东西。 创建了相应的软件包才能实现相应的功能。功能包中通常可包含如下文件夹：include（放置头文件）scripts（放置可直接运行的python文件）src（放置需要编译的C++文件）launch（放置启动文件）msg（放置自定义的消息类型）srv（放置自定义的服务类型）action（放置自定义的动作指令）CMakeLists.txt（编译器编译功能包的规则）package.xml（功能包清单：包括功能包名称，版本号，信息描述，作者信息，许可信息等，以及功能包中代码编译所依赖的其他功能包，运行功能包中可执行程序所依赖的其他功能包）
节点（Node）：是 ROS 功能包中的一个可执行文件，一个系统通常由多个节点构成，节点之间可以通过 ROS 客户端库(如roscpp 、 rospy )相互通信。一个机器人控制系统由许多节点组成,这些节点各司其职,如,一个节点控制激光距离传感器，一个节点控制轮子的马达，一个节点执行定位，一个节点执行路径规划，一个节点提供系统的整个视图等。也就是能够执行特定工作任务的工作单元。
节点管理器（Master）：顾名思义，使所有节点有条不紊执行的模块，节点通过与节点管理器通信来报告他们的注册信息，帮助节点之间相互查找，建立连接，同时还为系统提供参数服务器，管理全局参数，ROS master作为管理者，必不可少。
消息（Message）：是一种ROS数据类型。节点之间做重要的通讯机制就是基于发布/订阅模型的消息（Message）通讯，一个节点向特定主题发布消息，从而将数据发送到另一个节点。消息具有一定的类型和数据结构，包括ROS提供的标准类型和用户自定义类型。消息与话题（发布 / 订阅模式）是紧密联系在一起的，msg文件实质上就是一个从结构上描述ROS中所使用消息类型的简单文本，描述的是消息的数据类型。
话题( Topic )： 是节点间用来传输数据的总线，通过主题进行消息路由不需要节点之间直接连接。节点可以发布消息到话题，也可以订阅话题以接收消息。一个话题可能对应有许多节点作为话题发布者和话题订阅者。当然,一个节点可以发布和订阅许多话题。一个节点对某一类型的数据感兴趣,它只需订阅相关话题即可。一般来说。话题发布者和话题订阅者不知道对方的存在。发布者将信息发布在一个全局的工作区内，当订阅者发现该信息是它所订阅的，就可以接收到这个信息。
服务： 当需要直接与节点通信并获得应答时，将无法通过话题来实现，而需要服务（Service）。可以看出，发布 / 订阅模式是一种多对多的传输方式，显然这种传输方式不适用于请求 / 回复的交互方式。请求 / 回复交互方式经常被用于分布式系统中。请求服务通过 Service 来进行，Service 被定义为一对消息结构：一个用于请求，一个用于回复。一个客户通过发送请求信息并等待响应来使用服务( ROS中的请求 / 回复交互方式类似于一个远程函数调用，srv文件类似于函数参数和返回值的定义)。
参数管理器( Parameter Server )： 是节点管理器的一部分，是一个可通过网络访问的共享的多变量字典。节点使用此服务器来存储和检索运行时参数。
消息记录包（Bag）： 是一种用于保存和回放 ROS 消息数据的格式。消息记录包是检索传感器数据的重要机制,这些数据虽然很难收集,但是对于发展和测试算法很有必要。
清单（Manifest）： 是对于功能包相关信息的描述，用于定义软件包相关元信息之间的依赖关系，这些信息包括版本、维护者和许可协议等。 也就是 package.xml文件。
脚本文件： CMakeLists.txt是一个Cmake的脚本文件，Cmake是一个符合工业标准的跨平台编译系统。这个文件包含了一系列的编译指令，包括应该生成哪种可执行文件，需要哪些源文件，以及在哪里可以找到所需的头文件和链接库。
ROS中有四种通讯方式：Topic（话题）、Service(服务)、Parameter Serivce(参数服务器)、Actionlib(动作库)。
常用指令：
roscore //开启rosmaster
catkin_create_pkg //创建功能包
rospack //获取功能包信息rospack find [包名称] //找到一个软件包的目录rospack list //显示出当前的包信息rospack depends1 beginner_tutorials //显示当前包的一级依赖rospack depends beginner_tutorials //显示当前包的所有依赖
catkin_make //编译工作空间中功能包
rosdep //自动安装功能包依赖的其他包
roscd [ 本地包名称[/子目录] ] //允许你直接切换(cd)工作目录到某个软件包或者软件包集当中
roscp //拷贝功能包中文件
rosed //编辑功能包中文件
rosrun [package_name] [node_name] //运行功能包中可执行文件
roslaunch //运行启动文件
rosnode 显示当前运行的ROS节点信息rosnode list 获得运行节点列表rosnode info node-name 获得特定节点的信息rosnode ping node-name 测试节点是否连通rosnode kill node-name 终止节点
rostopic //获取有关ROS话题的信息
rossrv //针对静态服务文件rossrv show /srv_name 显示服务类型的所有信息rossrv list 显示所有服务类型信息rossrv md5 /srv_name 显示服务类型的md5sum信息rossrv package 列出一个程序包中的所有服务类型rossrv packages 列出包含服务的所有程序包
rossevice rossevice args //打印服务的参数rosservice call //以命令行的形式调用服务，可以指定具体参数rosservice find //根据服务类型寻找当前服务rosservice info //打印服务信息rosservice list //列出当前服务类型rosservice type //打印服务类型 rosservice uri //打印服务的ROSRPC uri
rosmsg //查看消息的详细情况
ROS创建工作空间和包
工作空间：一个存放工程开发相关的文件夹
功能包package：是ROS软件的基本单元，包含ROS节点、库、配置文件等
Src：代码空间(source space)功能包代码，配置文件，launch文件
Build:编译空间(build space)
Devel：开发空间(development space)放置编译生成的可执行文件，一些库，脚本
Install：安装空间(install space)
创建工作空间
mkdir –p~/catkin_ws/src
cd~/catkin_ws/src
catkin_init_workspace
编译工作空间
cd ~/catkin_ws/
catkin_make
catkin _make install(创建安装空间)
创建功能包
catkin_create_pkg test_pkg roscpp rospy std_msgs
创建的功能包名为 test_pkg，依赖c++，python以及msgs等库，后期可添加，生成的test_pkg文件中包含src文件，用来存放代码，其中include用来存放头文件
设置环境变量
source devel/setup.bash
检查环境变量
echo $ROS_PACKAGE_PATH
通过运行小海龟了解ROS基本信息
roscore // 启动rosmaster 运行节点管理器
rosrun turtlesim turtlesim_node //运行海龟仿真器节点指令
rosrun turtlesim turtle_teleop_key //启动键盘操作节点
rqt_graph/rqt //是基于qt的可视化工具，rqt_graph为显示系统计算处理工具Ros中默认单位为m和弧度
## 常用指令：
rosnode 显示系统中所有节点相关信息的指令；
rostopic 显示系统中所有话题相关的指令；
rosmsg 与消息相关的指令；
rosservice 显示与服务相关指令
rosbag
rosnode list 列出系统中所有节点；
rosnode info 节点名称 查看节点具体信息；
rostopic list 列出系统中所有话题；
发布话题：
rostopic pub /话题名/节点类型/数据结构“具体数据”可用tab键补齐
例子：rostopic pub –r 10 /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/Twist "linear:x: 0.0y: 0.0z: 0.0
angular:x: 0.0y: 0.0z: 0.0"
其中-r 10 为频率，以10Hz每秒发送数据，具体数据包括：角速度和线速度。查看发布话题的消息结构：rosmsg show geometry_msgs/Twist
eg：发布服务请求：rosservice call/spawn”x:5.0
Y:5.0
Theta:0.0
name:’turtle2’”话题记录：rosbag record –a-O cmd_record/record记录，-a所有信息-o保存为压缩包+名字
话题复现：rosbag play 压缩包名字# 话题通讯模型
## 创建功能包
cd~/catkin_ws/src
catkin_create_pkg learning_topic rospy std_msgs geometry_msgs turtlesim
## 发布者publisher编程实现### 创建发布者代码
## 订阅者subscriber编程实现
初始化ROS节点
订阅需要的话题
循环等待话题消息，接收到消息后进入回调函数，在回调函数中完成消息处理
话题消息订阅使用
## 自定义话题消息
### 定义msg文件
创建msg文件夹，存放与消息有关的文件。使用touch person.msg命令创建文件，打开后编写msg文件
string name
uint8 sex
uint8 age
uint8 unknow = 0
uint8 male = 1
uint8 female = 2
### 在package.xml中添加功能包依赖
编译依赖message_generation 动态产生msg的功能包
执行依赖message_runtime
### 在CMakeList.txt添加编译选项
1.添加功能包依赖find…package(…message_generation)
2.把msg文件编译成对应的程序文件add_message_files(FILES person.msg)
3.声明编译msg文件时需要依赖ros已有的库generate_messages(DEPENDENCIES std_msgs)
4创建msg运行依赖
catkin_package(INCLUDE_DIRS includeLIBRARIES lenrnking_topicCATKIN_DEPENDS roscpp rospy std_msgsDEPENDS system_libmessage_runtime
)
5编译catkin_make；根据msg文件生成include头文件，必须采用大写首字母命名
### 编译生成语言相关文件
创建subscriber和publisher文件在CMakeList.txt中设置需要编译的代码和生成的可执行文件；
add_executable(person_publisher src/person_publisher.cpp)
add_executable(person_subscriber src/person_subscriber.cpp)
设置链接库；
target_link_libraries(person_publisher ${catkin_LIBRARIES})
target_link_libraries(person_subscriber ${catkin_LIBRARIES})
添加依赖项
add_dependencies(person_publisher ${PROJECT_NAME}_generate_messages_cpp)
add_dependencies(person_subscriber ${PROJECT_NAME}_generate_messages_cpp)运行roscore；
运行rosrun learning_topic person_subscriber；
运行rosrun learning_topic person_publisher；
可观察到发布者发布信息，订阅者显示打印信息# 服务通信模型
服务（services）是节点之间通讯的另一种方式。服务允许节点发送请求（request） 并获得一个响应（response）
## 在工作空间src目录下创建learning_service功能包并添加依赖
catkin_create_pkg learning_service roscpp rospy std_msg geometry_msg turtlesim
## 客户端client编程实现
创建客户端turtle_spawn节点，发布request给server（海龟仿真器）
当server收到request后会回馈一个response给客户端，client端与server端通过service消息结构建立联系在创建的learning_service功能包的src中使用命令行创建文件
touch turtle_spawe.cpp
编写client端程序
```cpp
/**
请求/spawn服务，服务数据类型turtlesim::spawn**/
#include
#include int main(int argc, char** argv)
{//初始化节点 节点名为turtle_spawnros::init(argc,argv,"turtle_spawn");//创建节点句柄ros::NodeHandle node;//发现/spawn服务后，创建一个ServiceClient实例服务客户端，连接名为/spawn的service,请求的数据类型为turtlesim::Spawnros::service::waitForService("/spawn");//查询当前系统中是否有/spawn服务，阻塞型api，循环等待ros::ServiceClient add_turtle = node.serviceClient("/spawn");//封装初始化turtlesim::Spawn的请求数据turtlesim::Spawn srv;//定义名为srv，类型为turtlesim::Spawn的请求数据srv.request.x=2.0;srv.request.y = 2.0;srv.request.name = "turtle2";//请求服务调用ROS_INFO("Call service to spwan turtle[x:%0.6f,y:%0.6f,name:%s]",srv.request.x,srv.request.y,srv.request.name.c_str());add_turtle.call(srv);//调用call方法，把封装好的srv发出去，等待服务器反馈。//显示服务调用结果ROS_INFO("Spwan turtle successfully [name:%s]",srv.response.name.c_str());return 0;
} 配置CMakeList.txt编译规则
设置需要编译的代码和生成的可执行文件
打开learning_service功能包中的CMakeList.txt，在build中声明C++可执行文件并指定库链接另一个库或一个可执行目标：
add_executable(turtle_spawn src/turtle_spawn.cpp) //把spawn.cpp代码编译为turtle_spawn规则target_link_libraries(turtle_spawn ${catkin_LIBRARIES}) //把生成的turtle_spawn连接到ros中的库
返回到工作空间根目录进行编译
catkin_make
编译结束中，可在工作空间目录的devel文件夹中的lib文件夹可找到生成的learning_service功能包，包含代码编译生成的可执行文件turtle_spawn
编译并运行客户端
cd ~/ros_novice
catkin_make
roscore
rosrun turtlesim tuetlesim_node
rosrun learning_service turtle_spawn
Server服务器模型
在功能包src文件夹下打开命令行 touch turtle_command_server.cpp 创建代码文件
编写服务器端turtle_command_server代码
/*** 该例程将执行/turtle_command服务，服务数据类型std_srvs/Trigger*/#include
#include
#include ros::Publisher turtle_vel_pub;
bool pubCommand = false;// service回调函数，输入参数req，输出参数res
bool commandCallback(std_srvs::Trigger::Request &req,std_srvs::Trigger::Response &res)
{pubCommand = !pubCommand;// 显示请求数据ROS_INFO("Publish turtle velocity command [%s]", pubCommand==true?"Yes":"No");// 设置反馈数据res.success = true;res.message = "Change turtle command state!"return true;
}int main(int argc, char **argv)
{// ROS节点初始化ros::init(argc, argv, "turtle_command_server");// 创建节点句柄ros::NodeHandle n;// 创建一个名为/turtle_command的server，注册回调函数commandCallbackros::ServiceServer command_service = n.advertiseService("/turtle_command", commandCallback);// 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10turtle_vel_pub = n.advertise("/turtle1/cmd_vel", 10);// 循环等待回调函数ROS_INFO("Ready to receive turtle command.");// 设置循环的频率ros::Rate loop_rate(10);while(ros::ok()){// 查看一次回调函数队列ros::spinOnce();// 如果标志为true，则发布速度指令if(pubCommand){geometry_msgs::Twist vel_msg;vel_msg.linear.x = 0.5;vel_msg.angular.z = 0.2;turtle_vel_pub.publish(vel_msg);}//按照循环频率延时loop_rate.sleep();}return 0;
} 配置CMakeList.txt编译规则
设置需要编译的代码和生成的可执行文件
打开learning_service功能包中的CMakeList.txt，在build中声明C++可执行文件并指定库链接另一个库或一个可执行目标：
add_executable(turtle_command_server src/turtle_command_server.cpp) //把spawn.cpp代码编译为turtle_spawn规则target_link_libraries(turtle_command_server ${catkin_LIBRARIES}) //把生成的turtle_spawn连接到ros中的库
返回到工作空间根目录进行编译
catkin_make
编译并运行客户端
cd ~/ros_novice
catkin_make
roscore
rosrun turtlesim tuetlesim_node
rosrun learning_service turtle_command_server
rosservice call/turtle_command
通过反复call service可以实现对海龟的开关命令
服务数据的定义使用
Client端request发布显示人信息的请求，把信息通过service端发布数据，server端收到service发布的数据
自定义show_person服务数据结构
1、在功能包下创建srv文件夹，touch show_person.srv
定义.src文件；//—以上为request数据，—以下为response数据
string name
uint8 age
uint8 sex
uint8 unknown = 0
uint8 male =1
uint8 female = 2
string result
2、在package.xml中添加动态生成msg依赖的功能包
message_generation
message_runtime
3、在CMakeList.txt添加编译选项
################################################
## Declare ROS messages, services and actions ##
################################################
在此目录下添加如下命令
add_service_files(FILES Person.srv)
##自动搜索srv下的文件
generate_messages(DEPENDENCIES std_msgs )
##根据文件定义和std_msgs依赖产生对应头文件
添加依赖
catkin_package(
# INCLUDE_DIRS include
# LIBRARIES learning_serviceCATKIN_DEPENDS geometry_msg roscpp rospy std_msg turtlesim message_runtime
# DEPENDS system_lib
)
在工作目录中使用catkin_make编译生成头文件
创建服务器代码
/** 该例程用于将请求/show_person服务，服务数据类型learning_service::Person*
*/
#include
#includeint main(int argc,char** argv)
{//初始化节点ros::init(argc,argv,"person_client");//创建节点句柄ros::NodeHandle node;//发现/spawn服务后，创建一个服务客户端，连接名为/spawn的serviceros::service::waitForService("show_person");ros::ServiceClient person_client = node.serviceClient("/show_person");//初始化learning_serviceL::Person请求数据learning_service::Person srv;srv.request.name = "Tom";srv.request.age = 27;srv.request.sex = learning_service::Person::Request::male;//请求服务调用ROS_INFO("Call service to show person[name:%s,age:%d,sex:%d]",srv.request.name.c_str(),srv.request.age,srv.request.sex);person_client.call(srv);//显示服务器调用结果ROS_INFO("show person result : %s",srv.response.result.c_str());return 0 ;
}
创建客户端代码
/** 该例程将执行/show_person服务，服务数据类型learning_service::Person* */
#include
#include//service回调函数，输入参数req，输出参数res
bool personCallback(learning_service::Person::Request &req,learning_service::Person::Response &res)
{//显示请求数据ROS_INFO("Person: name:%s age:%d sex:%d",req.name.c_str(),req.age,req.sex);//设置反馈数据res.result = "OK";return true;
}int main(int argc, char **argv)
{//ROS节点初始化ros::init(argc,argv,"person_server");//创建节点句柄ros::NodeHandle n;//创建名为/show_person的server，注册回调函数personCallbackros::ServiceServer person_service = n.advertiseService("/show_person",personCallback);//循环等待回调函数ROS_INFO("Ready to show person inforntion");ros::spin();return 0;
} 配置服务器/客户端代码编译规则
add_executable(person_client src/person_client.cpp)
##把person_client.cpp代码编译为person_client可执行文件
target_link_libraries(person_client ${catkin_LIBRARIES})
##把生成的person_client连接到ros中的库
add_executable(person_server src/person_server.cpp)
##把person_server.cpp代码编译为person_server可执行文件
target_link_libraries(person_server ${catkin_LIBRARIES})
##把生成的person_server连接到ros中的库add_dependencies(person_client ${PROJECT_NAME}_gencpp)
## 和动态生成的头文件做依赖
add_dependencies(person_server ${PROJECT_NAME}_gencpp)
## 和动态生成的头文件做依赖
在工作空间根目录使用catkin_make编译
运行查看
roscore
rosrun learning_service person_server
rosrun learning_service person_client
可查看结果
运行server会发现等待show_person的数据
运行client请求service端show_person,与此同时可发现server端打印显示client发送的信息。
参数模型
参数命令行使用
rosparam list 列出当前所有参数
rosparam get param_key 显示某个参数值
rosparam set param_key param_value 设置某个参数值
rosparam dump file_name 保存参数到文件
rosparam load file_name 从文件读取参数
rosparam delete param_key 删除参数
首先在src中创建参数功能包
catkin_create_pkg learning_parameter roscpp rospy std_srvs
创建parameter.cpp文件
/*** 该例程设置/读取海龟例程中的参数*/
#include
#include
#include int main(int argc, char **argv)
{int red, green, blue;// ROS节点初始化ros::init(argc, argv, "parameter_config");// 创建节点句柄ros::NodeHandle node;// 读取背景颜色参数ros::param::get("/background_r", red);ros::param::get("/background_g", green);ros::param::get("/background_b", blue);ROS_INFO("Get Backgroud Color[%d, %d, %d]", red, green, blue);// 设置背景颜色参数ros::param::set("/background_r", 255);ros::param::set("/background_g", 255);ros::param::set("/background_b", 255);ROS_INFO("Set Backgroud Color[255, 255, 255]");// 读取背景颜色参数ros::param::get("/background_r", red);ros::param::get("/background_g", green);ros::param::get("/background_b", blue);ROS_INFO("Re-get Backgroud Color[%d, %d, %d]", red, green, blue);// 调用服务，刷新背景颜色ros::service::waitForService("/clear");ros::ServiceClient clear_background = node.serviceClient("/clear");std_srvs::Empty srv;clear_background.call(srv);sleep(1);return 0;
} 在CMakeList.txt中添加依赖
add_executable(parameter_config src/parameter_config.cpp)
target_link_libraries(parameter_config ${catkin_LIBRARIES})
在工作空间下catkin_make编译
运行测试
roscore
rosrun toutlesim turtlesim_node
rosrun learning_perameter parameter_config
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