ROS——常用工具

本章主要介绍了ROS开发时常常使用的工具，分别是：

• Gazebo
• RViz
• rqt
• rosbag
• rosbridge
• moveit!

这六个工具是我们开发常常用到的工具，gazebo是一种最常用的ROS仿真工具，也是目前仿真ROS效果最好的工具；RViz是可视化工具，是将接收到的信息呈现出来；rqt则是非常好用的数据流可视化工具，有了它我们可以直观的看到消息的通信架构和流通路径；rosbag则是对软件包进行操作的一个命令，此外还提供代码API，对包进行操作编写。rosbridge是一个沟通ROS和外界的功能包，moveit!是目前为止应用最广泛的开源操作软件。好好学习本章，熟练使用这几款工具对于我们的ROS学习和开发都有极大的好处，可以事半功倍。

5.1 Gazebo

5.1.1 简介

ROS中的工具就是帮助我们完成一系列的操作，使得我们的工作更加轻松高效。ROS工具的功能大概有以下几个方向：仿真、调试、可视化。本节课我们要学习的Gazebo就是实现了仿真的功能，而调试与可视化由Rviz、rqt来实现，我们下节再依次介绍。

5.1.2 认识 Gazebo

对于Gazebo,大家可能并不陌生，因为我们在前面的学习过程中已经数次用到这个仿真环境，无论是在topic通信还是在service通信中，我们的demo都是在Gazebo中实现。

Gazebo是一个机器人仿真工具，模拟器，也是一个独立的开源机器人仿真平台。当今市面上还有其他的仿真工具例如V—Rep、Webots等等。但是Gazebo不仅开源，也是是兼容ROS最好的仿真工具。

Gazebo的功能很强大，最大的优点是对ROS的支持很好，因为Gazebo和ROS都由OSRF（Open Source Robotics Foundation）开源机器人组织来维护，Gazebo支持很多开源的物理引擎比如最典型的ODE。可以进行机器人的运动学、动力学仿真，能够模拟机器人常用的传感器（如激光雷达、摄像头、IMU等），也可以加载自定义的环境和场景。

5.1.3 仿真的意义

仿真不仅仅只是做出一个很酷的3D场景，更重要的是给机器人一个逼近现实的虚拟物理环境，比如光照条件、物理距离等等。设定好具体的参数，让机器人完成我们设定的目标任务。比如一些有危险因素的测试，就可以让机器人在仿真的环境中去完成，例如无人车在交通环境复杂的交通要道的效果，我们就可以在仿真的环境下测试各种情况无人车的反应与效果，如车辆的性能、驾驶的策略、车流人流的行为模式等，又或者各种不可控因素如雨雪天气，突发事故，车辆故障等，从而收集结果参数指标信息等等，只有更大程度的逼近现实，才能得出车辆的真实效果。直到无人车在仿真条件下做到万无一失，才能放心的投放到真实环境中去使用，这即避免了危险因素对实验者的威胁，也节约了时间和资源，这就是仿真的意义。

通常一些不依赖于具体硬件的算法和场景都可以在Gazebo上仿真，例如图像识别、传感器数据融合处理、路径规划、SLAM等任务完全可以在Gazebo上仿真实现，大大减轻了对硬件的依赖。

5.1.4 演示

和我们前面的实例测试一样，我们打开教材的模拟场景，输入roslaunch robot_sim_demo robot_spawn_launch

操作说明

• 平移：鼠标左键
• 旋转：鼠标滚轮中键
• 放缩：鼠标滚轮
• 界面左侧是控制面板
• 导入模型就在控制面板的insert,可以直接拖入模拟空间，也可以按需自制模型拖入。

5.1.5 小结

虽然Gazebo目前的功能还称不上强大，同时还存在着一些BUG，但是对于我们的入门学习也已经是足够了，随着版本的更新，Gazebo也在越来越强大。

5.2 RViz

5.2.1 简介

本节课介绍的是我们在ROS开发中非常常用的一个工具，基本上的调试和开发都离不开这个工具——RViz(the Robit Visualization tool)机器人可视化工具，可视化的作用是直观的，它极大的方便了监控和调试等操作。

5.2.2 演示

依然打开教材的模拟场景，输入roslaunch robot_sim_demo robot_spawn_launch，之后在命令行打开新的终端直接输入$ rviz 打开工具。

和Gazebo一样，也会显示出一个3D环境，不过操作上有所不同，具体操作如下：

• 平移：鼠标滚轮中键
• 旋转：鼠标左键
• 放缩：鼠标滚轮
• 左侧控制面板，可以添加插件

RViz的插件种类繁多功能强大，非常适合我们开发调试ROS程序。

5.2.3 差异

虽然从界面上来看，RViz和Gazebo非常相似，但实际上两者有着很大的不同，Gazebo实现的是仿真，提供一个虚拟的世界，RViz实现的是可视化，呈现接收到的信息。左侧的插件相当于是一个个的subscriber,RViz接收信息，并且显示。所以RViz和Gazebo有本质的差异。

5.2.4 小结

RViz和Gazebo是我们常用的ROS工具，更好的利用这些工具是我们ROS进阶的基础。具体的操作和使用可以参考我们的官方演示视频，跟着视频去实战演练，熟悉这两个工具。

5.3 rqt

5.3.1 简介

rqt是一个基于qt开发的可视化工具，拥有扩展性好、灵活易用、跨平台等特点，主要作用和RViz一致都是可视化，但是和RViz相比，rqt要高级一个层次，。

5.3.2 命令

• rqt_graph :显示通信架构
• rqt_plot ：绘制曲线
• rqt_console ：查看日志

rqt_graph

rqt_graph是来显示通信架构，也就是我们上一章所讲的内容节点、主题等等，当前有哪些Node和topic在运行，消息的流向是怎样，都能通过这个语句显示出来。此命令由于能显示系统的全貌，所以非常的常用。

rqt_plot

rqt_plot将一些参数，尤其是动态参数以曲线的形式绘制出来。当我们在开发时查看机器人的原始数据，我们就能利用rqt_plot将这些原始数据用曲线绘制出来，非常的直观，利于我们分析数据。

rqt_console

rqt_console里存在一些过滤器，我们可以利用它方便的查到我们需要的日志。

5.3.3 实例测试

1. 首先打开我们教材的模拟场景，输入roslaunch robot_sim_demo robot_spawn_launch
2. 输入命令语句rqt_graph,显示出了当前环境下运行的Node和topic，十分直观的看到通信结构以及消息流向。注意在椭圆形的代表节点，矩形代表topic。
3. 输入命令语句rqt_plot,显示出曲线坐标窗口，在上方输入框里添加或者删除topic，比如我们查看速度，可以在框里设置好topic后，移动机器人，就可以看到自动绘制的线速度或者角速度曲线。
4. 输入命令语句rqt_console，显示日志的输出，配合rqt_logger_level查看日志的级别。

5.3.4 小结

rqt_graph这个功能是强大的，它使得我们初学者可以直观的看到ROS的通信架构和信息流，方便我们理解的同时，也使得我们能够最快的纠错等等。rqt_plot绘制数据曲线图，也是极大的帮助我们了解数据的变化态势，理解数据流的作用，用曲线来显示我们的操作，精确直观。rqt_console配合rqt_logger_level，查看日志，对于查找错误和DeBug都有很大帮助。

5.4 Rosbag

5.4.1 简介

rosbag是一个这是一套用于记录和回放ROS主题的工具。它旨在提高性能，并避免消息的反序列化和重新排序。rosbag package提供了命令行工具和代码API，可以用C++或者python来编写包。而且rosbag命令行工具和代码API是稳定的，始终保持向后的兼容性。

5.4.2 命令

rosbag对软件包来操作，一个包是ROS用于存储ROS消息数据的文件格式，rosbag命令可以记录、回放和操作包。指令列表如下：

命令	作用
cheak	确定一个包是否可以在当前系统中进行，或者是否可以迁移。
decompress	压缩一个或多个包文件。
filter	解压一个或多个包文件。
fix	在包文件中修复消息，以便在当前系统中播放。
help	获取相关命令指示帮助信息
info	总结一个或多个包文件的内容。
play	以一种时间同步的方式回放一个或多个包文件的内容。
record	用指定主题的内容记录一个包文件。
reindex	重新索引一个或多个包文件。

 

一、bag基本操作指令

 

$rosbag record -a

 

-all 保存所有的话题

$rosbag record  -O  w   /turtle1/cmd_vel  

接收话题 /turtle1/cmd_vel  的数据包，并命名为w.bag

$rosbag info 

显示包的详细信息

$rosbag play 

播放bag包

 

$rosbag play -r 2 

以2Hz的频率播放bag 包

 

 

二、bag_to_pcd

（1）从bag包转pcd

 

$ rosrun pcl_ros bag_to_pcd   
$ rosrun pcl_ros bag_to_pcd data.bag /velodyne_points ./wtj

 

从data.bag中提取/velodyne_points 话题数据到wtj 文件夹中。

(2)  通过发布，订阅实时转

1. 检查topic:rosbag info XXX.bag

2. 发送message: $ rosbag play XXX.bag

3. 订阅需要的话题:$rosrun pcl_ros pointcloud_to_pcd input:=/velodyne_points

在当前目录下将话题实时转为pcd文件。

 

(3)显示生成的pcd文件

 

$pcl_viewer  1513648255448748.pcd

5.5 Rosbridge

5.5.1 简介

Rosbridge是一个用在ROS系统和其他系统之间的一个功能包,就像是它的名字一样,起到一个"桥梁"的作用,使得ros系统和其他系统能够进行交互.Rosbridge为非ROS程序提供了一个JSON API,有许多与Rosbridge进行交互的前端，包括一个用于Web浏览器交互的WebSocket服务器。Rosbridge_suite是一个包含Rosbridge的元程序包，用于Rosbridge的各种前端程序包（如WebSocket程序包）和帮助程序包。

5.5.2 协议和实现

Rosbridge主要包含两部分内容:协议(Potocol)和实现(Implementation)

协议

Ｒosbridge Protocol提供了非ROS程序与ROS通信的具体的格式规范，规范基于JSON格式,包括订阅topic，发布message,调用server，设置参数，压缩消息等等．例如订阅topic的格式规范如下：

{ "op": "subscribe",
    "topic": "/cmd_vel",
    "type": "geometry_msgs/Twist"
  }

此规范与所用的编程语言和传输方式无关，任何可以发送JSON格式的语音和传输方式都可以Rosbridge protocol进行交流，并且与ROS进行交互．

实现

Rosbridge_suite元程序包是实现Ｒosbridge　Protocol并提供WebSocket传输层的包的集合。

这些软件包包括：

• Rosbridge_library : 核心rosbridge软件包。Rosbridge_library负责获取JSON字符串并将命令发送到ROS，反过来接收处理ROS发过来的信息，将之转换为JSON字符串，并将结果转交给非ROS程序。

• rosapi : 通过服务调用来访问某些ROS操作，这些服务通常为ROS客户端库保留的服务．这些操作包括获取和设置参数，获取主题列表等等。

  +

• rosbridge_server : 虽然Rosbridge_library提供JSON到ROS转换，但它将传输层留给其他人。Rosbridge_server提供了一个WebSocket连接，所以浏览器可以与ROS“交谈”。Roslibjs是一个浏览器的JavaScript库，可以通过rosbridge_server与ROS进行交流。

源码

5.5.3 安装与使用

安装

Rosbridge是基于ROS的，首先要确保自己正确的安装完成了ROS之后可以启动终端执行命令：

sudo apt-get install ros- -rosbridge-server

中间的为自己的ROS版本，依照自己的版本进行安装．

使用

关于更深入的使用，可以参考本课程的视频课程，简单的入门使用可以参考链接如下：

参考链接

5.6 moveit!

5.6.1 简介

2012年，一款叫做moveit!的移动操作软件诞生了，moveit！最初在Willow Garage由Sachin Chitta，Ioan Sucan，Gil E. Jones，Acorn Pooley，Suat Gedikli，Dave Hershberger开发，它融合了研究者在运动规划、操纵、3D感知、运动学、控制和导航方面的最新进展，为操作者提供了一个易于使用的平台，使用它可以开发先进的机器人应用，也被广泛应用于工业，商业，研发和其他领域。由于以上特性，moveit！一跃成为在机器人上最广泛使用的开源操作软件，截止2017年，已经被用于超过65台机器人。

• moveit!视频链接

5.6.2 使用

moveit!的使用通过为用户提供接口来调用它，包括C++、Python、GUI三种接口。ROS中的move_group节点充当整合器，整合多个独立组件，提供ROS风格的Action和service。move_group通过ROS topic和action与机器人通讯，获取机器人的位置、节点等状态，获取数据再传递给机器人的控制器。

move_group节点获取到节点状态信息或者机器人变换信息时候，会通过控制器的接口去处理这些信息，比如进行坐标转换、规划场景、3D感知。另外，move_group的结构比较容易扩展，不仅具有独立的能力如抓放，运动规划，也可扩展自公共类，但实际作为独立的插件运行。moveit!系统结构图如下：

官网链接