ROS2经验：如何编写一个启动文件(launch file)启动大型的ROS2系统

如何编写一个启动文件(launch file)启动大型的ROS2系统

我们已经学会了如何用ros2 run去运行一个ROS2的可执行程序。可是当你需要同时运行多个程序时，就不得不开多个终端来启动程序。比如一个SLAM小车，需要开一个终端启动激光雷达驱动程序发布laserscan，另外需要开一个终端启动底盘发布里程计和imu，还需一个终端启动slam程序订阅激光和传感器数据并发布地图和定位。整个操作就会变得十分繁琐。

所以ROS提供了启动系统（Launch System）。ROS中的启动系统负责帮助用户描述系统的配置，然后按照描述执行。系统的配置包括运行什么程序，在哪里运行，传递什么参数，以及特定于ROS的约定，这些约定通过给组件提供不同的配置，使得在整个系统中重用组件变得容易。此外，因为启动系统是执行用户进程的进程（或一组进程），所以它负责监视它启动的流程的状态，以及对这些进程的状态变化进行报告或反应。

我们需要编写启动文件(launch file)。ROS2的启动文件可以用Python、XML和YAML三种方法编写，如果有用过ROS1的话可能最熟悉的就是XML方式。但是XML或YAML无法实现Python的灵活性。因为使用Python有以下两个优点：

• Python是一种脚本语言，因此可以在launch file中使用改语言的特性以及支持它的各种库
• ros2/launch(通用启动功能)和ros2/launch_ros(ROS2特定启动功能)是用Python编写的，因此你可以有较低的权限来访问XML和YAML没有公开的启动功能。

本教程的launch file是用Python编写的，它可以启动和停止不同的节点，以及触发和处理各种事件。

本教程适用于最新的ROS2 Galactic版本，而且仅介绍C++ package。

我将由简到烦逐步教大家写出一个可以用于运行复杂的ROS2系统的launch file。

编写个简单的launch file

1. 创建launch file

可以在任何你喜欢的目录下创建启动文件，但正规的方式为了能让ros2管理到launch file，我们把launch file创建在包目录里面。

先创建一个包，比如在工作空间的src目录下创建一个包叫my_launch_test

ros2 pkg create --build-type ament_cmake my_launch_test

然后在包目录里创建launch目录来存储launch file。由于是python launch，所以我们需要创建一个.py结尾的文件，主流方式命名为xxx.launch.py或者xxx_launch.py。这里我们把它叫做test.launch.py

mkdir launch
cd launch
touch test.launch.py

2. 编写launch file

可以用任何你喜欢的文本编辑器来打开编辑launch file。

我们以运行海龟模拟器turtlesim为例，来编写启动文件。

在test.launch.py中加入以下代码：

from launch import LaunchDescription
from launch_ros.actions import Node

def generate_launch_description():
    return LaunchDescription([
        Node(
            package='turtlesim',
            executable='turtlesim_node',
            name='sim1'
        ),
        Node(
            package='turtlesim',
            executable='turtlesim_node',
            name='sim2'
        )
    ])

来看看代码，这个launch file的作用是启动两个turtlesim窗口

首先需要import两个模块。

from launch import LaunchDescription
from launch_ros.actions import Node

启动描述，launch file最基本的就是将内容编写在启动描述中。

def generate_launch_description():
   return LaunchDescription([

   ])

launch file最基本的功能就是启动node，LaunchDescription中包含了两个Node，

Node(
    package='turtlesim',
    executable='turtlesim_node',
    name='sim1'
),
Node(
    package='turtlesim',
    executable='turtlesim_node',
    name='sim2'
)

Node中一般需要3个属性，package、executable和name，package为包的名称，executable为包内的可执行文件名，name为节点运行时的节点名。可能还会用到：

namespace: 命名空间。使节点名称前增加命名空间前缀，命名空间不同使系统允许两个相同节点名和主题名不冲突。如果没有唯一的命名空间，当topic消息相同时就无法区分是哪个节点的。

respawn: 复位。设为‘true’时，节点停止时自动重启。默认为‘false’

output: 输出。设为‘screen’时，将节点的输出打印到中终端屏幕。

arguments: 节点需要输入的参数。

remappings: 重映射，将默认节点属性（如节点名称、主题名称、服务名称等），重映射为其它名称。

3. 运行launch file

可以直接在launch目录下启动launch file

ros2 launch test.launch.py

但我们一般对包进行编译后调用。返回到my_launch_test目录，

在package.xml中添加依赖：

<exec_depend>ros2launchexec_depend>

在CMakeListe.txt中添加：

# Install launch files.
install(DIRECTORY
  launch
  DESTINATION share/${PROJECT_NAME}/
)

然后返回工作空间根目录进行colcon build。之后只要source 设置文件. install/setup.bash，就能使用ros2 launch 的方式来启动了。

出现两个turtlesim窗口。

命名空间

当启动了上一节的示例时，我们查看一下当前的话题列表

会看到，虽然运行了两个海龟模拟器，但看到的话题列表跟只有一个模拟器一样。因为两个模拟器都发布和订阅同样的话题，混在一起了。

这时候运行海龟操控键盘turtle_teleop_key，试着操作一下箭头，发现两只海龟同时都会动，因为两个节点都订阅了/turtle1/cmdvel。

如果要区分两个海龟模拟器的话，就得加入命名空间(namespace)属性，将launch file代码改为：

from launch import LaunchDescription
from launch_ros.actions import Node

def generate_launch_description():
    return LaunchDescription([
        Node(
            package='turtlesim',
            namespace='turtlesim1',
            executable='turtlesim_node',
            name='sim1'
        ),
        Node(
            package='turtlesim',
            namespace='turtlesim2',
            executable='turtlesim_node',
            name='sim2'
        )
    ])

重新启动launch file。再查看话题列表：

可以看到两个模拟器节点的话题就区分出来了。

重映射

增加了命名空间后我们再次运行turtle_teleop_key，操作一下方向按键，发现海龟动不了了。来看看话题列表：

马上就发现，虽然话题类型都是geometry_msgs/msg/Twist，但turtle_teleop_key发布的话题是/turtle1/cmd_vel，而两个turtlesim节点订阅的话题是有带命名空间前缀的。所以并不能兼容。

这时候我们就可以使用重映射，给话题重映射个名字，比如把/turtlesim1/turtle1/cmd_vel重映射为/turtle1/cmd_vel，来改一下launch file:

from launch import LaunchDescription
from launch_ros.actions import Node

def generate_launch_description():
    return LaunchDescription([
        Node(
            package='turtlesim',
            namespace='turtlesim1',
            executable='turtlesim_node',
            name='sim1',
            remappings=[
	      		('/turtlesim1/turtle1/cmd_vel', '/turtle1/cmd_vel'),
	    	]
        ),
        Node(
            package='turtlesim',
            namespace='turtlesim2',
            executable='turtlesim_node',
            name='sim2'
        ),
        Node(
            package='turtlesim',
            executable='mimic',
            name='mimic',
            remappings=[
              ('/input/pose', '/turtlesim1/turtle1/pose'),
              ('/output/cmd_vel', '/turtlesim2/turtle1/cmd_vel'),
            ]
		)
    ])

turtlesim1节点的/turtlesim1/turtle1/cmd_vel话题，映射为/turtle1/cmd_vel。

我们还增加了mimic节点，把mimic的 /input/pose 话题映射为 /turtlesim1/turtle1/pose ，把 /output/cmd_vel 话题映射为 /turtlesim2/turtle1/cmd_vel。mimic节点的作用就是将会订阅turtlesim1节点发布的位姿(pose)话题，并重新发布为turtlesim2节点的速度控制。也就是说turtlesim2将会模仿 turtlesim1的动作。

turtle_teleop_key控制turtlesim1，而turtlesim2模仿turtlesim1，所以操作方向键时，两只海龟一起动了起来。

在launch file里调用shell命令

turtlesim节点提供背景颜色参数可以让我们设置，我们可以在终端里输入命令去设置修改某一个参数。launch file也提供了可以在文件里直接调用命令的功能。见如下代码：

from launch import LaunchDescription
from launch_ros.actions import Node
from launch.actions import ExecuteProcess

def generate_launch_description():
    return LaunchDescription([
        Node(
            package='turtlesim',
            namespace='turtlesim1',
            executable='turtlesim_node',
            name='sim1',
            remappings=[
	      ('/turtlesim1/turtle1/cmd_vel', '/turtle1/cmd_vel'),
	    ]
        ),
        Node(
            package='turtlesim',
            namespace='turtlesim2',
            executable='turtlesim_node',
            name='sim2'
        ),
        Node(
            package='turtlesim',
            executable='mimic',
            name='mimic',
            remappings=[
              ('/input/pose', '/turtlesim1/turtle1/pose'),
              ('/output/cmd_vel', '/turtlesim2/turtle1/cmd_vel'),
            ]
		),
        ExecuteProcess(
            cmd=[[
                'ros2 param set ',
                '/turtlesim1/sim1 ',
                'background_b ',
                '0'
            ]],
            shell=True
        )
    ])

首先需要import一个模块：

from launch.actions import ExecuteProcess

然后就可以使用了：

ExecuteProcess(
    cmd=[[
        'ros2 param set ',
        '/turtlesim1/sim1 ',
        'background_b ',
        '0'
    ]],
    shell=True
)

我们调用了ros2 param set /turtlesim1/sim1 background_b 0这个命令，将/turtlesim1/sim1的background_b设置为0。来看下效果：

可以看到turtlesim1的背景色变了。

给launch file增加接收参数配置的功能

前面几节我们在launch file里的参数都是直接写死的。但为了使启动更灵活，比如我们想在启动时改变某个参数，而无需每次去修改launch file，就可以使用参数配置的功能。

一般需要用到两个模块:launch.substitutions.LaunchConfiguration和launch.actions.DeclareLaunchArgument。

LaunchConfiguration用来增加一个启动文件的传递参数，而DeclareLaunchArgument用于定义可以从上述启动文件或控制台传递的启动参数。

我们将上一节的修改背景颜色改为使用参数配置的方式。见以下代码：

from launch import LaunchDescription
from launch_ros.actions import Node
from launch.substitutions import LaunchConfiguration
from launch.actions import ExecuteProcess, DeclareLaunchArgument

def generate_launch_description():
    background_blue_arg = LaunchConfiguration('background_blue_arg')
    background_blue_launch_arg = DeclareLaunchArgument(
        'background_blue_arg',
        default_value='255',
        description='Configure the blue value of turtlesim1 background color.'
    )
    return LaunchDescription([
        background_blue_launch_arg,
        Node(
            package='turtlesim',
            namespace='turtlesim1',
            executable='turtlesim_node',
            name='sim1',
            remappings=[
                ('/turtlesim1/turtle1/cmd_vel', '/turtle1/cmd_vel'),
            ]
        ),
        Node(
            package='turtlesim',
            namespace='turtlesim2',
            executable='turtlesim_node',
            name='sim2'
        ),
        Node(
            package='turtlesim',
            executable='mimic',
            name='mimic',
            remappings=[
                ('/input/pose', '/turtlesim1/turtle1/pose'),
                ('/output/cmd_vel', '/turtlesim2/turtle1/cmd_vel'),
            ]
        ),
        ExecuteProcess(
            cmd=[[
                'ros2 param set ',
                '/turtlesim1/sim1 ',
                'background_b ',
                background_blue_arg
            ]],
            shell=True
        )
    ])

定义了background_blue_arg，默认值为255。

可以用以下命令来查看launch file提供了哪些参数及其默认值：

ros2 launch my_launch_test test.launch.py --show-args

返回：

现在可以将所需的参数传递给启动文件，例如调用以下命令将背景色蓝色值设置为150：

ros2 launch my_launch_test test.launch.py background_blue_arg:=150

嵌套复用功能IncludeLaunchDescription

当我们有了一个个完善的launch file，比如这launch file用于启动深度相机，另一个launch file用于启动导航，而我们需要写一个launch file同时包含深度相机和导航的启动功能。launch系统为我们提供给了嵌套复用的功能，直接可以launch file中包含其它launch file，这就使得launch file更灵活，更方便。

编写launch file过程中的目标之一应该是使它们尽可能可重用。这可以通过将相关节点和配置集群到单独的启动文件中来完成。之后，可以编写专用于特定配置的顶层launch file。这将允许在完全不更改启动文件的情况下在相同的机器人之间移动。即使是从真正的机器人移动到模拟机器人这样的变化，也只需进行少量更改即可完成。

我们另外编写个launch file简单命名为top_level_test.launch.py。里面将直接复用前一节的launch file，同时运行一个命令发布速度让乌龟转圈。代码如下：

import os

from ament_index_python.packages import get_package_share_directory

from launch import LaunchDescription
from launch.actions import ExecuteProcess, IncludeLaunchDescription
from launch.launch_description_sources import PythonLaunchDescriptionSource

def generate_launch_description():
    two_turtle_sim = IncludeLaunchDescription(
        PythonLaunchDescriptionSource([os.path.join(
            get_package_share_directory('my_launch_test'), 'launch'),
            '/test.launch.py']),
        launch_arguments={'background_blue_arg': '150'}.items()
    )
    cmd_execute = ExecuteProcess(
        cmd=[[
            'ros2 topic pub -r 1 /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/msg/Twist "{linear: {x: 2.0, y: 0.0, z: 0.0}, angular: {x: 0.0, y: 0.0, z: -1.8}}"'
        ]],
        shell=True
    )

    return LaunchDescription([
        two_turtle_sim,
        cmd_execute
    ])

运行效果如下：

总结

本篇介绍了一下launch比较常用的功能，描述了为大型项目编写启动文件的一些技巧。重点是如何构建启动文件，以便在不同情况下尽可能多地重用它们。可以看到ROS2使用python实现的launch非常实用且灵活。

当我们编写一个大型的ROS2项目的launch file时，主要就是进行模块化launch file的实现，把每个模块的launch file做到尽可能可重用，最后再编写个顶层的launch file来调用各个模块launch file。

其实还有很多的功能并没有在文档中描述出来，大家可以在实践中多多参考别人的代码，不断完善相关知识。