机器人入门（三）—— ROS环境搭建与ROS Master、Node、Topic、Message
机器人入门（三）
- 一、虚拟机环境准备与ROS环境开发搭建
-
- 1.1 虚拟机环境准备
- 1.2 ROS开发环境搭建
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- 1.2.1 搭建过程
- 1.2.2 创建catkin工作空间
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- 1.2.2.1 什么是catkin?
- 1.2.2.2 catkin workspace各目录作用
- 1.2.2.3 catkin workspace创建实操过程
- 1.2.3 搭建过程中的问题及解决方案
- 二、ROS Master、Node、Topic、Message（结点、主题、消息）
-
- 2.1 Node、Topic、Message之间的通信逻辑
- 2.2 ROS Master
- 2.3 Node、Topic、Message —— 以Turtlesim为示例
- 2.4 键盘操作turtlesim
- 2.5 重置背景颜色
- 2.6 瞬移turtlesim
- ROS实用命令
- References
参考书籍为：ROS Robotics By Example (Second Edition) —— Carol Fairchild Dr.Thomas L.Harman，微信读书可免费阅读。
一、虚拟机环境准备与ROS环境开发搭建
1.1 虚拟机环境准备
VMware虚拟机+《Ubuntu16.04.iso镜像文件官网下载》，VMware虚拟机的安装方式见另一篇文章：《Ubuntu下软件安装》。
1.2 ROS开发环境搭建
1.2.1 搭建过程
这两个软件都准备好后，开始搭建我们将要运行ROS的虚拟机。首先是配置ROS镜像源，这样我们就能下载ROS相关的工具，由于是外国人写的书，他配置的镜像源对我们而言可能访问速度比较慢，因此，我们要采用国内的ROS镜像源，参考文章：《遇到ROS下载或更新不顺畅？不如试试国内的华为云镜像！》 国内还有其它镜像源，比如中科大，但此处我还是盛赞一次华为：心系中华，有所作为。Ubuntu其它镜像源也可以一起换成国内的，配置镜像源时要注意Ubuntu的版本是16.04，不然很多安装会有问题，传送门：《ubuntu-清华镜像源官网》。
# /etc/apt/sources.list，删除了注释，采用的是http而非清华官网描述的https，实践发现用https会报找不到证书，无法更新软件列表
deb http://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/ubuntu/ xenial main multiverse restricted universe
deb http://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/ubuntu/ xenial-updates main multiverse restricted universe
deb http://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/ubuntu/ xenial-backports main multiverse restricted universe
deb http://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/ubuntu/ xenial-security main multiverse restricted universe
若采用https，会报 server certificate verification failed. CAfile: /etc/ssl/certs/ca-certificates.crt CRLfile: none，这是CA证书认证失败了，但我的虚拟机里是有这个证书的，其他人遇见过这个一模一样的问题：《server certificate verification failed. CAfile: /etc/ssl/certs/ca-certificates.crt CRLfile: none 失败》，我这里图省事直接http了。
下面是我的实操过程。
#1.将仓库地址配置至系统镜像源
sudo sh -c 'echo "deb https://repo.huaweicloud.com/ros/ubuntu $(lsb_release -sc) main" > /etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list'
#2.输入如下命令，导入并信任ROS的GPG Key
sudo apt-key adv --keyserver 'hkp://keyserver.ubuntu.com:80' --recv-key C1CF6E31E6BADE8868B172B4F42ED6FBAB17C654
#3.刷新软件源缓存，更新索引
sudo apt update
#4.稍等片刻，大小约为2.5G
sudo apt install ros-kinetic-desktop-full
由于rosdep使用的是国外源，因此有博主开发了一个rosdepc，请使用rosdepc替代rosdep，后续过程参考这篇：《使用国内源安装ros-kinetic过程记录 - bilibili》。
# install pip3
sudo apt install python3-pip
# 初始化rosdepc
sudo rosdepc init
rosdepc update
# 添加ros环境变量
echo "source /opt/ros/kinetic/setup.bash" >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc
# 安装额外依赖包
sudo apt install python-rosinstall python-rosinstall-generator python-wstool build-essential
然后按照书中Chapter1的Installing and launching ROS一节的内容，检查env环境变量
$ env | grep ROS
应出现如下结果，若没有以下结果，请检查你的安装配置过程
ROS_ROOT=/opt/ros/kinetic/share/ros
ROS_PACKAGE_PATH=/opt/ros/kinetic/share
ROS_MASTER_URI=http://localhost:11311
ROSLISP_PACKAGE_DIRECTORIES=
ROS_DISTRO=kinetic
ROS_ETC_DIR=/opt/ros/kinetic/etc/ros
1.2.2 创建catkin工作空间
刚刚那篇bilibili的文章有创建catkin工作空间的操作过程，可以参考但并不完整，只是按照此文章操作后，就可以看到小乌龟了，下面是对书籍中关于catkin内容的一些整理。
1.2.2.1 什么是catkin?
开宗明义，定义先行，辩论赛场里这句话都用烂了，烂归烂，关于概念的定义的认知，会极大的影响到人观察社会的视角，科学事物也一样。
下面是关于catkin的一点简单介绍，其余内容见官网原文：catkin / conceptual_overview。
(1) catkin是ROS的构建工具，继承自ROS最开始的构建工具rosbuild，此工具由美国的一家公司Willow Garage创建，Willow Garage是一家致力于机器人技术研究和开发的公司，位于美国加州，已于2014年倒闭，catkin的中文含义是在柳树上发现的尾状花簇，植物学名称是柔荑花序。
(2) catkin结合了CMake与Python，位于CMake工作流上层，并给其提供一些额外的能力。
1.2.2.2 catkin workspace各目录作用
.
├── build # The build space is where CMake is invoked to build the catkin packages in the source space.
├── devel # The development space (or devel space) is where built targets are placed prior to being installed.
└── src # The source space contains the source code of catkin packages.
其余内容见：Workspaces - ROS Wiki。
1.2.2.3 catkin workspace创建实操过程
建立并初始化
$ mkdir -p ~/catkin_ws/src
$ cd ~/catkin_ws/src
$ catkin_init_workspace
构建catkin workspace
$ cd ~/catkin_ws/
$ catkin_make
将上面的catkin workspace添加至ROS环境中
source ~/catkin_ws/devel/setup.bash
上面这条命令，终端关闭并再次打开终端后配置就失效了，执行下面这行命令，保证每次用该普通用户打开，该catkin workspace是添加至ROS环境中的。
$ echo "source ~/catkin_ws/devel/setup.bash" >> ~/.bashrc
$ source ~/.bashrc
#并检查$ROS_PACKAGE_PATH变量是否有包含catkin_ws，若有，则配置起效了
$ echo $ROS_PACKAGE_PATH
/home/programmer/catkin_ws/src:/opt/ros/kinetic/share
#此处可以看出/catkin_ws/src 和 /kinetic/share目录的作用一样，都是各种Package所在的目录
然后，按照书本的提示，依次运行下面的ros命令
$ rospack help | less
$ rospack list | less
$ rospack list-names | grep turtle
$ roscd turtlesim
$ rosls turtlesim
用rosls turtlesim后，会得到下面的结果
programmer@ubuntu:/opt/ros/kinetic/share/turtlesim$ rosls turtlesim
cmake images msg package.xml srv
用树形图表示是
programmer@ubuntu:/opt/ros/kinetic/share/turtlesim$ tree -L 1
.
├── cmake # Dir.
├── images # Dir. There are various turtle images that can be used.
├── msg # Dir. /msg for messages
├── package.xml # File. This file defines properties about the package such as the package name, version numbers, authors, maintainers, and dependencies on other catkin packages. [catkin / package.xml](http://wiki.ros.org/catkin/package.xml)
└── srv # Dir. /srv for services
此处的/opt/ros/kinetic/share/turtlesim文件夹是ROS的一个package，书中提到：“ROS的软件模块被拆分进一个一个的package，每个package的内容包含有：各式各样的程序，图片，数据乃至教程”，官网表述为：“ROS的软件程序由packages组成”，详细内容见： Packages - ROS Wiki。
1.2.3 搭建过程中的问题及解决方案
《roscore 运行失败，提示 /.ros/roscore-11311.pid 没权限的问题》
二、ROS Master、Node、Topic、Message（结点、主题、消息）
2.1 Node、Topic、Message之间的通信逻辑
到上面为止，基本的ROS环境已经具备了，可以更深入的探索ROS。在ROS的设计中，结点与结点，可以互相通信，如图：
其余内容请看官网描述 Understanding topics - ROS.org，根据上面这张图，机器人的通信方式和人有什么区别？从图上看，机器人的结点之间可以直接通信，相当于有多个大脑，就像摄像头可以直接告诉轮子要往哪走，摄像头也可以告诉机械臂什么时候可以放下来，但是人的眼睛却不能直接告诉脚，2点钟方向有个美女，赶紧起身去要微信，还得经过大脑处理一遍。人只有这一个思维中枢，所有指令都要通过脊髓传递至大脑，然后大脑再向脊髓传递指令，肢体才能作出行动。但这能说ROS的通信方式比人更先进吗？恐怕不能，这只能说明机器的构造适合如此，而人之所以没有进化出这种思考模式，或许是因为某些因素，在进化过程中被舍弃了，章鱼就有中央大脑和分布式大脑，其触手就是分布式大脑。有网友提出过这类问题，也有人做出了他们的思考，看看无妨：《人类为什么不将神经系统分散，使遇到危险而损失整个大脑的风险降到最低？》 - 知乎 与 《人类永生-分布式人脑系统、人类进化的终极形态》 - JackTao的文章 - 知乎。
2.2 ROS Master
在了解关于Node, Topic，Message的ros命令之前，还需要启动一个东西，那就是ROS Master。见名知意，Master在英文中，作名词是“主人”，作动词是“掌握”，与之对应的是Slave，即“奴隶、仆从”与“臣服式的苦干，顺从”，因此Master-Slave也译为“主从”，很多技术领域都有这两个名词出现，在这里，ROS Master起着管理全局的作用，Node之间的通信要从Master这里走一道，即由Master负责建立Node之间的通信关系，建立好后，Node之间就可以绕过Master进行P2P通信了，并且，Master还负责监听，什么时候有新的Node启动和加入通信，因此，Master具备动态分配Node之间的通信连接能力，最后，Master采用TCP/IP协议，在ROS中，这被称为TCPROS，其余内容见：Master - ROS Wiki。
看到这里，我联想到一个场景，那就是相亲市场与婚姻中介，婚姻中介有相亲市场丰厚的资源，不要想这些男性和女性为什么不主动，这样中介手上就没资源了，主动出击的大概会有一些动机在，既然主动性较强，那么对于自由恋爱的想法就更强烈，所以大部分不会走到或者走入相亲市场，而不主动的也有自身的原因，否则也不会进入婚介市场，单身的原因简单归结就这几条，不想找与找不到，“看不上”与“被看不上”，联系现实，你能说这些几条原因归根到底是年轻人不想、不懂怎么谈恋爱么？不能，相对于从前那个思想比较传统和淳朴，穿露脐装被批伤风败俗、有伤风化的年代，父母那辈人都能眉来眼去，暗送秋波，或者迫于现实养儿防老，不可能一代人之内，刻在基因里的本能就退化了，历史有其不可逆的规律，不因人的意志而转移。
回到ROS Master，使用roscore命令启动ROS Master：
#该命令要保持Terminal终端不关闭
$ roscore
#也可采用nohup将进程挂到后台保持运行，这样做关闭Terminal不受影响
$ nohup roscore > roscore.log &
#此命令执行完后，启动的有
#1.ROS Master
#2.ROS Parameter Server #The Parameter Server is a shared dictionary of parameters that nodes store and retrieve at runtime. The Parameter Server runs inside the Master and parameters are globally viewable so that nodes can access the parameters.
#3.rosout Node (for logging)
更多内容见：roscore - ROS Wiki
2.3 Node、Topic、Message —— 以Turtlesim为示例
Master启动后，再使用rosrun启动Turtlesim，这个程序将展示一个可以操作的小乌龟，Turtlesim程序文件可以在/opt/ros/kinetic/share这个存放ROS packages的目录下找到。
$ rosrun turtlesim turtlesim_node
# 命令格式为 rosrun [package name][executable name]，但注意，这里的executable name不能乱写，只能填这个turtlesim_node
# 否则就会报[rosrun] Couldn't find executable named xxxxxxx below /opt/ros/kinetic/share/turtlesim
然后，屏幕上就会出现一只小乌龟，而且每次打开都是不一样的乌龟图片，是轮流播放的：
把turtlesim这个package的程序跑起来，用rosnode list看Node列表，注意，/turtlesim是node的名字，turtlesim是package的名字。
programmer@ubuntu:~$ rosnode list
/rosout
/turtlesim
然后，用rosnode info node1 [node2...]命令，以/turtlesim作为参数，执行
$ rosnode info /turtlesim
# 得到以下输出
--------------------------------------------------------------------------------
Node [/turtlesim]
Publications:
* /rosout [rosgraph_msgs/Log]
* /turtle1/color_sensor [turtlesim/Color]
* /turtle1/pose [turtlesim/Pose]
Subscriptions:
* /turtle1/cmd_vel [unknown type]
Services:
* /clear
* /kill
* /reset
* /spawn
* /turtle1/set_pen
* /turtle1/teleport_absolute
* /turtle1/teleport_relative
* /turtlesim/get_loggers
* /turtlesim/set_logger_level
contacting node http://ubuntu:38653/ ...
Pid: 4905
Connections:
* topic: /rosout
* to: /rosout
* direction: outbound
* transport: TCPROS
可以看到哪类topic是Publication的，哪些是Subscription的，也可以用rostopic list直接查所有的topic列表
programmer@ubuntu:~$ rostopic list
/rosout # /rosout 在debug时非常有用
/rosout_agg
/turtle1/cmd_vel
/turtle1/color_sensor
/turtle1/pose
所有活着的node，都把消息发送给/rosout这个topic，但/rosout_agg这个topic，只接受/rosout这个topic的消息，然后，查看各个topic的种类
programmer@ubuntu:~$ rostopic type /turtle1/color_sensor
turtlesim/Color
programmer@ubuntu:~$ rostopic type /turtle1/cmd_vel
geometry_msgs/Twist
programmer@ubuntu:~$ rostopic type /turtle1/pose
turtlesim/Pose
#输出结果的格式是[package name]/[message type]
Node和Topic看完了，看Message，用$ rosmsg list | grep [package_name]查turtlesim这个package涉及到哪些message
programmer@ubuntu:~$ rosmsg list | grep turtlesim
turtlesim/Color
turtlesim/Pose
然后查下message所对应的数据结构格式
programmer@ubuntu:~$ rosmsg show turtlesim/Color
uint8 r
uint8 g
uint8 b
最后，看topic在发什么message
programmer@ubuntu:~$ rostopic echo /turtle1/color_sensor
r: 69
g: 86
b: 255
---
#这里会刷屏，Ctrl+C中止
怎么记忆这些命令？回到这张动图，看着这张图，按图索骥
(1) 找有哪些结点Node，因此是rosnode list与rosnode info sepecify_node[other node]。
(2) 然后是找有哪些Topic，因此是rostopic list
(3) Node和Topic看完，看Message，因此是rosmsg list或rosmsg list | grep [package_name]，与查看message的数据格式rosmsg show [message_name]
(4) 然后看Topic都在发些什么，因此是rostopic echo [topic_name]，echo有回声的意思，让该Topic回应下它在讲些嘛。
啰嗦太多了，得让乌龟动起来，那么知道上面的流程后，就可以手动publish message到这个node所subscribe的topic了。
programmer@ubuntu:~$ rostopic pub /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/Twist -r 1 -- '[2.0, 0.0, 0.0]' '[0.0, 0.0, 1.8]'
# rostopic pub [topic_name] [message_type] -option
# -r 查阅手册是publishing rate的意思，单位HZ，因此自带有重复的意思，书本上给的是repeat，所以乌龟原地转圈，频率由1设置为0.5,你将看到转圈一顿一顿的乌龟，也就是两秒动一次
# '[2.0, 0.0, 0.0]'分别是沿x轴前进速度，沿y轴前进速度，沿z轴前进速度
# '[0.0, 0.0, 1.8]'分别是绕x轴的角速度，绕y轴的角速度，绕z轴的角速度，z轴在哪？想象与屏幕垂直延伸戳你眼睛，可以用右手螺旋定则，大拇指方向为z轴方向，四指所指的方向即角速度绕转方向
# 横轴为x轴，竖轴为y轴，坐标原点[0.0, 0.0]在屏幕左下角位置，与直角坐标系是一样的，屏幕中央的位置是[5.544445, 5.544445]，
有个问题，前面的参数好说，后面的这个线速度角速度怎么填？这还是案例给好的，遇到其它的message真不知道怎么填，咋办？
# 输入命令到这里，然后按补全按键Tab
programmer@ubuntu:~$ rostopic pub /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/Twist
# 就会打出对应的message定义好的数据结构
programmer@ubuntu:~$ rostopic pub /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/Twist "linear:
x: 0.0
y: 0.0
z: 0.0
angular:
x: 0.0
y: 0.0
z: 0.0"
# 再配置上你要的选项，和上面的效果是一致的
programmer@ubuntu:~$ rostopic pub /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/Twist "linear:
x: 0.0
y: 0.0
z: 0.0
angular:
x: 0.0
y: 0.0
z: 0.0" -r 1
案例给出的数据格式是YAML格式，见YAML on the ROS command line - ROS Wiki，Tab键补全的数据格式是其文件中定义好的数据结构格式。
2.4 键盘操作turtlesim
关闭刚刚的Terminal终端，重新打开，并输入
$ rosrun turtlesim turtle_teleop_key
2.5 重置背景颜色
下面加快速度，只写结论。
programmer@ubuntu:~$ rosparam list
/background_b
/background_g
/background_r
/rosdistro
/roslaunch/uris/host_ubuntu__37981
/rosversion
/run_id
# 末尾四个parameter由Master创建
programmer@ubuntu:~$ rosparam get /
background_b: 255
background_g: 86
background_r: 69
.
.
.
# ------------------------------- Separated line -------------------------------
programmer@ubuntu:~$ rosparam set background_b 0
programmer@ubuntu:~$ rosparam set background_g 0
programmer@ubuntu:~$ rosparam set background_r 255
programmer@ubuntu:~$ rosservice call /clear
2.6 瞬移turtlesim
teleport: vt.（心灵学用语）心灵运输（物体、人）
# 瞬移到(x,y, theta) = (1,1,0)的绝对位置，theta=0意思是瞬移后，乌龟的头朝向x轴正方向
programmer@ubuntu:~$ rosservice call /turtle1/teleport_absolute 1 1 0
# 瞬移一个相对距离，(listance distance, theta) = (1,0)，即朝x轴正方向走1个距离
programmer@ubuntu:~$ rosservice call /turtle1/teleport_relative 1 0
ROS实用命令
ROS Command-line tools - ROS Wiki
References
1.华为开源镜像站
2.公众号“鱼香ROS”
3.【ROS中的catkin之前世今生】