ROS学习记录（三）节点与话题

ROS学习笔记系列是对 ROS中文教程的记录总结。
笔记三包括：

• 3.1 ROS节点
• 3.2 ROS话题

---

3.1 ROS 节点

3.1.1 ROS图的概念

其实图、节点的概念来自图论，只不过这里是更具体的对象。一个图如下，V1，V2等就是节点 (node)，它们可以是实际的机器人，或者可执行文件，也可以是函数，在不同情况下可以有不同的抽象。

有了节点，关键的是要相互通信。不过，在ROS中，通信并不是像上图中那样相邻的相互传递信息，因为这样很慢，比如V4给V5要发一条消息，为什么要经过其他节点呢？而且，V4要给其他所有节点发消息，按照上图的箭头走也太麻烦了。

实际上采用的方法是，V4把消息发布 (publish) 在一个服务器上（或者云端），其他节点也从这个服务器订阅 (subscribe) 消息，这样消息就能够并行地快速地传输。发布的过程也叫做广播 (broadcast) ，这个服务器的提供了谈论话题 (topic) 的场所。还记得以前有“话题作文”吗？这里话题的意思大同小异。

---

看一下看官方解释，还有其他专有名词：

• Nodes: 节点,一个节点即为一个可执行文件，它可以通过ROS与其它节点进行通信。
• Messages: 消息，消息是一种ROS数据类型，用于订阅或发布到一个话题。
• Topics: 话题,节点可以发布消息到话题，也可以订阅话题以接收消息。
• Master : 节点管理器，ROS名称服务(比如帮助节点找到彼此)。
• rosout: ROS中相当于标准输出stdout/stderr。rosout是一个节点（可执行文件），可以订阅、发布消息。
• roscore: 主机+ rosout + 参数服务器 (参数服务器会在后面介绍)。

---

3.1.2 查看ROS节点

首先在一个终端运行 roscore，这句指令让将我们的电脑连接到一个服务器，这样节点发布的话题才有地方放。注意此时要联网。

$ roscore

然后打开另一个终端，（千万不要把上一个终端 kill 了，不然就和服务器断开了！），输入 rosnode list，查看当前有哪些节点；输入 rosnode info [节点名] 可以查看节点信息。

$ rosnode list

$ rosnode info /rosout

可见当前有 /rosout 节点，这个节点是连接服务器后默认产生的，用来订阅、发布消息，还提供收集节点信息等服务 (service) 。

3.1.3 增加ROS节点

ROS 服务器只执行 /rosout 一个程序有点无聊，别忘了我们的最终目的——使用ROS完成对我们的机器人的控制与通信。不过先脚踏实地，继续学习节点的内容，我们就先增加节点吧。
$ rosrun [package_name] [node_name] 语句是运行节点的语句，我们运行服务器端已有的一个节点（随时想起，一个节点就是一个可执行文件）。

$ rosrun turtlesim turtlesim_node

不出意外的话会出现一只可爱的小乌龟。此时再输入

$ rosnode list 

就会发现多了一个节点-- turtlesim_node，如下图。

---

3.2 ROS话题

3.2.1 控制小海龟运动

刚才已经说过ROS 话题 的意义，就是提供了一个存放消息的池子，节点可以往里面发布消息，也可订阅消息。下面我们将继续上面的内容，使用键盘上下左右键控制小海龟的运动。
如果您接着 3.1 ROS节点学习 ，可不必运行前两句，否则，在三个不同终端运行以下三句。

$ roscore                                 # 运行一个新的终端
$ rosrun turtlesim turtlesim_node         # 运行小海龟节点
$ rosrun turtlesim turtles_teleop_key     # 运行按键远程控制节点

然后使用上下左右键控制小海龟运动，运行效果如下（记得将鼠标放在rosrun turtlesim turtles_teleop_key 这一个终端哦）

3.2.2 小海龟运动的分析
其实，整个控制逻辑是很好理解的。运行两个节点之后，服务器上相当于运行着两个程序，一个在读取键盘状态并输出速度信息（前进后退或转向），另一个在监听速度信息并控制小海龟运动，所有速度信息的抽象就是话题 。
用ROS的行话来说：

turtlesim_node节点和turtle_teleop_key节点之间是通过一个ROS话题来互相通信的。turtle_teleop_key在一个话题上发布按键输入消息，而turtlesim则订阅该话题以接收该消息

我们不妨做一些可视化来看一下。
首先是 rqt_graph 命令。如果您还没有安装此命令，请执行

$ sudo apt-get install ros-kinetic-rqt
$ sudo apt-get install ros-kinetic-rqt-common-plugins

然后在一个新的终端运行

$ rosrun rqt_graph rqt_graph

一切正常的话能够得到下图，椭圆内的是节点，箭头代表消息流向，箭头上放着的就是话题。
3.2.3 rostopic 指令

rostopic 子指令	功能
rostopic -h	查看帮助
rostopic bw	显示话题使用的带宽
rostopic echo [topic]	打印信息到屏幕
rostopic hz [topic]	显示话题的发布速率
rostopic list [-h等]	打印正在运行的话题的信息
rostopic pub [topic] [msg_type] [args]	发布数据到节点
rostopic type [topic]	打印话题类型

• 我们在新的终端执行

$ rostopic echo turtle1/cmd_vel

也就是上面节点于话题那张图上的话题，然后回到按键控制终端，按下按键，新的终端就会输出小海龟的要转动的角度和前进的距离。
刚刚数据的输出是怎样实现的呢？其实很简单，相当于添加了一个新的节点，它监听速度信息然后在命令窗口输出。刷新（左上角）节点图，可见新增了一个新的节点。

• 在终端执行

$ rostopic list -h

$ rostopic list -v

可见，rostopic list -h 为帮助指令，rostopic list -v 的功能是列出每个话题的具体信息，运行如下：

• 在终端执行

$ rostopic type /turtle1/cmd_vel

$ rosmsg show geometry_msgs/Twist

可见 rostpic type [话题] 列出了话题的类型，相当于列出C++中的类，rosmsg 更加具体地查看类中变量的类型。

• 在终端输入

$ rostopic pub -1 /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/Twist -- '[2.0, 0.0, 0.0]' '[0.0, 0.0, 1.8]'

这条语句执行后，小海龟逆时针运动一段距离。语句颇长，我们慢慢解析
rostopic pub 说明将会发布消息到特定话题
-l （单个破折号）rostopic 发布一条消息后立即退出
turtle/cmd_vel 消息所发布的话题名称
geometry_msg/Twist 消息所发布的类型
-- （双破折号）告诉解析器接下来的参数都不是命令选项。
'[2.0, 0.0, 0.0]' '[0.0, 0.0, 1.8]' 具体各个参数的值

为了让小海龟持续运动，输入以下指令：

$ rostopic pub /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/Twist -r 1 -- '[2.0, 0.0, 0.0]' '[0.0, 0.0, 1.8]'

此时更新节点图，发现多了新的节点，这个节点就是刚刚我们执行的这条语句产生的。

• 在终端输入

$ rostopic hz /turtle1/pose

可查看话题发布消息的速率，运行如下，可见话题发布的速率平均为62Hz左右，具体的最短间隔，最长间隔，时间均方根和总次数等。

• 在终端输入

$ rosrun rqt_plot rqt_plot

可以绘图，查看变量的波形图，如下。可见小海龟的 (x, y) 位置随时间的变化。

---

小结一下
ROS的节点是什么意思呢，什么又叫话题？它们关键的指令分别为roscode 和 rostopic ，如何具体使用呢？想想小海龟如何运动，我们看过的图行是使用哪些指令实现的？深度思考，不会就继续思考或者往回看。