【自动驾驶】ROS机器人操作系统总结

CSDN话题挑战赛第1期
活动详情地址：https://marketing.csdn.net/p/bb5081d88a77db8d6ef45bb7b6ef3d7f
参赛话题：自动驾驶技术学习记录
话题描述：自动驾驶是当前最火热的技术之一，吸引了无数的开发者与学习者融入其中。然而，自动驾驶技术是系统硬件平台与人工智能、物联网、大数据、云计算等新一代信息技术深度融合的产物，具有知识新、内容杂、难度深、缺少系统教程等特点，让许多开发者眼花缭乱。
本话题通过记录分享自动驾驶相关技术，为大家提供相互学习与交流的平台。话题分享与讨论的技术点包括不限于：自动驾驶算法、自动驾驶系统基础架构、智能驾驶交互技术、虚拟仿真、自动化测试、无人系统与车辆平台、自动驾驶计算平台与传感器等。

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前言

ROS（机器人操作系统）是早期自动驾驶系统的原型，也是目前使用最广泛的开源机器人操作系统之一。目前，国际知名的自动驾驶开源系统Autoware和Apollo都与ROS系统有着一定的渊源。Autoware是基于ROS架构开发的，百度Apollo系统的原型也是基于ROS系统的。虽然，ROS在大数据传输、实时性和稳定性等方面仍有不足，但ROS是自动驾驶算法在研发测试阶段重要的工具，也是自动驾驶从业者必备的技能。ROS学习者可参考ROS专栏。

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技术学习记录

1、ROS是什么？

ROS=通信机制+开发工具+应用功能+生态系统

（1）通信机制

ROS提供了一种松耦合分布式通信机制

（2）开发工具

ROS提供了大量的开发工具组合用以配置、启动、自检、调试、可视化、登录、测试、终止分布式计算系统；

（3）应用功能

ROS提供控制，规划，预测，定位操纵等功能

（4）生态系统

ROS的支持与发展依托着一个强大的社区。ros.org尤其关注兼容性和支持文档，提供了一套“一站式”的方案使得用户得以搜索并学习来自全球开发者数以千计的ROS程序包。

2、ROS中核心概念

（1）节点与节点管理器

（2）通信机制

ROS中具有两种通信机制，分别为：话题通信和服务通信

（3）参数服务器

（4）文件系统

3、使用方法

（1）话题发布

①话题模型

②创建发布者节点

$ cd ~/catkin_ws/src

$ catkin_create_pkg learning_topic roscpp rospy std_msgs geometry_msgs turtlesim

• 初始化
• 向ROS Master注册节点信息，包括：话题、消息
• 实例化消息并循环发出

#include
#include
int main(int argc,char **argv)
{
	//ROS初始化
	ros::init(argc,argv,"velocity_publisher");
	
	//创建节点句柄
	ros::NodeHandle n;
	
	//创建一个publisher，向ROS Master注册
	ros::Publisher turtle_vel_pub = n.advertise<geometry_msgs::Twist>("turtle1/cmd_vel",10);
	
	//设置循环频率
	ros::Rate loop_rate(10);
	
	int count =0;
	while (ros::ok)
	{
		//初始化geometry_msgs::Twist类型消息
		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("Publish turtle velocity command[%0.2f m/s %0.2f rad/s]",
				vel_msg.linear.x,vel_msg.angular.z);
		
		loop_rate.sleep();
	}

	return 0;


}

③编译功能包

add_executable(velocity_publisher src/velocity_publisher.cpp)
target_link_libraries(velocity_publisher $[catkin_LIBRARIES])

④运行节点

$ cd ~/catkin_ws 
$ catkin_make 
$ source devel/setup.bash 
$ roscore

$ rosrun turtlesim turtlesim_node 
$ rosrun learning_topic velocity_publisher

（2）话题订阅

①创建订阅节点

• 初始化ROS节点
• 订阅需要的话题
• 循环等待消息进入回调函数
• 回调函数消息处理

#include
#include
int main(int argc,char **argv)
{
	//ROS初始化
	ros::init(argc,argv,"velocity_publisher");
	
	//创建节点句柄
	ros::NodeHandle n;
	
	//创建一个publisher，向ROS Master注册
	ros::Publisher turtle_vel_pub = n.advertise<geometry_msgs::Twist>("turtle1/cmd_vel",10);
	
	//设置循环频率
	ros::Rate loop_rate(10);
	
	int count =0;
	while (ros::ok)
	{
		//初始化geometry_msgs::Twist类型消息
		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("Publish turtle velocity command[%0.2f m/s %0.2f rad/s]",
				vel_msg.linear.x,vel_msg.angular.z);
		
		loop_rate.sleep();
	}

	return 0;


}

②编译订阅节点

add_executable(pose_subscriber src/pose_subscriber.cpp)
target_link_libraries(pose_subscriber $[catkin_LIBRARIES])

③运行节点

$ cd ~/catkin_ws 
$ catkin_make 
$ source devel/setup.bash


$ roscore

$ rosrun turtlesim turtlesim_node 
$ rosrun learning_topic velocity_publisher
$ rosrun learning_topic pose_subscriber

（3）服务客户端

①服务通信模型

②ROS客户端编程
创建功能包：

cd ~/catkin_ws/src
catkin_create_pkglearning service roscpp rospy std_msgs geometry_msgs turtlesim

客户端代码：

• ROS节点初始化
• 搜索服务，向ROS MASTER注册连接服务
• 请求服务

#include 
#include 

int main(int argc, char** argv)
{
    // 初始化ROS节点
	ros::init(argc, argv, "turtle_spawn");
    // 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service
	ros::service::waitForService("/spawn");
	ros::ServiceClient add_turtle = node.serviceClient<turtlesim::Spawn>("/spawn");

    // 初始化turtlesim::Spawn的请求数据
	turtlesim::Spawn srv;
	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);

	// 显示服务调用结果
	ROS_INFO("Spwan turtle successfully [name:%s]", srv.response.name.c_str());

	return 0;
};

（4）服务服务端

• 初始化节点
• 注册服务器
• 注册话题发布节点（Server提供的服务）
• 主函数循环：监听回调函数、发布话题

#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commandCallback
    ros::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10
	turtle_vel_pub = n.advertise<geometry_msgs::Twist>("/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;
}

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优质资料推荐

1、b站视频教程《古月ROS入门21讲》
2、b站视频教程《奥特学院ROS理论与实践》
3、书籍教程《ROS机器人开发实践》胡春旭
4、网页教程ROSwiki

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总结

本文主要对ROS的基础知识进行了大致的总结，因篇幅有限，只介绍了ROS一小部分内容。欲了解详细知识与笔记，请参考：ROS学习专栏

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