11 月 11 日 ROS 学习笔记——ROS 架构及概念

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前言

本文为 11 月 11 日 ROS 学习笔记——ROS 架构及概念，分为 ROS 文件系统级和计算图级两节。

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一、 ROS 文件系统级

• 功能包 package：用于创建ROS程序的最小结构和最少内容，包含ROS运行进程（节点）、配置文件等，
• 功能包清单 package.xml：提供关于功能包、 许可证、依赖关系、编译标志等的信息，
• 元功能包 Metapackage: 几个具有某些功能的包组织在一起，
• 元功能包清单：
• 消息类型 msg type: 进程发送到其他进程的信息,
• 服务类型 srv type: 为 ROS 中由每个进程提供的服务定义请求和响应数据结构。

1). 工作空间 Ws

工作空间就是一个文件夹，包含功能包，功能包又包含源文件和环境或工作空间，提供编译这些功能包的一种方式.

• 源文件空间 src：放置功能包、项目、复制的包等。最重要的一个文件是 CMakeLists.txt，
• 编译空间 build：为功能包和项目保存缓存信息、配置和其他中间文件。
• 开发空间 devel：用来保存编译后的程序，无须安装就能用来测试的程序。

2). 功能包

功能包是一种特定结构的文件和文件夹组合，结构如下：

• include/package_name/：包含需要的库的头文件,
• msg/: 存放非标准信息，
• scripts/: 存放Bash、Python或任何其他脚本语言的可执行脚本，
• src/: 存储程序源文件，
• srv/: 服务类型，
• package.xml: 功能包清单文件。

package.xml 必须在每个功能包中，用来说明此包相关的各类信息，包括包的名称、依赖关系等信息。两个典型标记 和 :

• : 显示当前功能包安装之前必须先安装哪些功能包
• : 显示运行功能包中代码所需要的包.

3). 消息 msg

消息类型必须具有：字段 field 和常量 constant，如：

• int32 id
• float32 vel
• string name

4). 服务 srv

用以实现节点之间的请求/响应通信。

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二、计算图级

ROS 创建一个连接到所有进程的网络。在系统中的任何节点都可以访问此网络，并通过该网络与其他节点交互，获取其他节点发送的信息，并将自身数据发布到网络上。

• 节点 node：计算执行进程，与其他节点进行交互。最好让众多节点都具有单一的功能，而不是在系统中创建一个包罗万象的大节点。
• 节点管理器 master：用于节点的名称注册和查找等，也设置节点间的通信。如果在整个ROS中没有节点管理器，就无法与节点、服务、消息等通信。
• 参数服务器： parameter server: 通过参数，就能够在运行时配置节点或改变节点的工作任务。
• 消息 message: 节点通过消息完成彼此的沟通。消息包含一个节点发送到其他节点的信息数据。
• 主题 topic：每个消息都必须有一个名称以便被 ROS 网络分发。节点可以通过订阅某个主题，接收来自其他节点的消息。一个节点可以订阅一个主题，而不需要任何其他节点同时发布该主题。
• 服务 service：服务能够允许我们直接与某个节点进行交互。
• 消息记录包 bag：用于保存和回放ROS消息 数据的文件格式。

1). 动态加载节点 nodelet

内部可通信的多个节点，可以在单个进程中运行多个节点，每个nodelet为一个线程。可以在不使用 ROS 网络的情况下与其他节点通信，节点通信效率更高。 nodelet 对于摄像头和3D传感器这类数据传输量非常大的设备特别有用。

2). 主题 topic

节点间用来传输数据的总线。通过主题进行消息传输不需要节点之间直接连接，发布者和订阅者之间不需要知道彼此是否存在。一个主题可以有多个订阅者，也可以有多个发布者。每个主题都是强类型的，发布到主题上的消息必须与主题的 ROS 消息类型相匹配，并且节点只能接收类型匹配的消息：

• TCP/IP：基于 TCP 传输称为 TCPROS，使用 TCP/IP 长连接，是ROS默认的传输方式；
• UDP：UDPROS，是一种低延迟高效率的传输方式， 但可能产生数据丢失，最适合远程操控之类的任务。

3). 服务 srv

当需要直接与节点通信并以 RPC 方式获得应答时，将无法通过主题实现，而需要使用服务。服务需要由用户开发，节点并不提供标准服务。包含消息源代码的 文件存储在 srv 文件夹中。

服务类型是包名和 .srv 文件名的组合。例如 chapter2_tutorials/srv/chapter2_srv1.srv 文件的服务类型是 chapter2_tutorials/chapter2_srv1

4). 消息 msg

一个节点通过向特定主题发布消息，将信息发送到另一个节点。消息的类型在遵循以下标准命名方式：包名/文件名.msg, 例 如，std_msgs/msg/String.msg 的消息类型是 std_msgs/String

5). 试用练习

• 查找 turtlesim 包的路径

rospack find turtlesim
>>> /opt/ros/noetic/share/turtlesim

• 查找在系统中安装过的某个元功能包

rosstack find ros_comm
>>> /opt/ros/noetic/share/ros_comm

• 获得功能包或功能包集下面的文件列表

rosls turtlesim/
>>> cmake  images  msg  package.xml  srv

• 更改当前工作目录

roscd turtlesim/
pwd
>>> /opt/ros/noetic/share/turtlesim

5). 创建工作空间

• 查看 ROS 正在使用的工作空间

echo $ROS_PACKAGE_PATH 
>>> /home/li/Documents/Demo01_Ws/src:/opt/ros/noetic/share

• 新建此文件夹

mkdir -p ~/dev/catkin_ws/src
cd ~/dev/catkin_ws/src/
catkin_init_workspace

• 编译工作空间

cd ~/dev/catkin_ws/
catkin_make

• 完成配置

source devel/setup.bash

6). 创建 ROS 功能包和元功能包

cd ~/dev/catkin_ws/src/
catkin_create_pkg chapter2_tut std_msgs roscpp

7). 编译ROS功能包

cd ~/dev/catkin_ws/
catkin_make

8). 使用 ROS 节点

• 启动一个新的节点

rosrun turtlesim turtlesim_node

• 查看用于程序调试的信息

rosnode info /turtlesim

9). 使用主题与节点交互 rostopic

• 使用箭头键移动海龟

rosrun turtlesim turtle_teleop_key

• 使用以下命令行查看主题清单

rostopic list
>>> /rosout
	/rosout_agg
	/turtle1/cmd_vel
	/turtle1/color_sensor
	/turtle1/pose

• 运行以下命令行并使用箭头键查看消息产生时发送了哪些数据

rostopic echo /turtle1/cmd_vel
>>> linear: 
	  x: 2.0
	  y: 0.0
	  z: 0.0
	angular: 
	  x: 0.0
	  y: 0.0
	  z: 0.0
---

• 使用以下命令行查看由主题发送的消息类型

rostopic type /turtle1/cmd_vel
>>> geometry_msgs/Twist

• 使用以下命令查看消息字段

rosmsg show geometry_msgs/Twist
>>> geometry_msgs/Vector3 linear
	  float64 x
	  float64 y
	  float64 z
	geometry_msgs/Vector3 angular
	  float64 x
	  float64 y
	  float64 z

• 直接发布主题使海龟做圆周运动

rostopic pub /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/Twist "linear:
  x: 1.0
  y: 0.0
  z: 0.0
angular:
  x: 0.0
  y: 0.0
  z: 1.0" 

10). 使用服务 rosservice

服务是能够使节点之间相互通信的另一种方法。服务允许节点发送请求和接收响应

• 列出活动服务

rosservice list
>>> /clear
	/kill
	/reset
	/rosout/get_loggers
	/rosout/set_logger_level
	/spawn
	/turtle1/set_pen
	/turtle1/teleport_absolute
	/turtle1/teleport_relative
	/turtlesim/get_loggers
	/turtlesim/set_logger_level

• 查看某个服务的类型

rosservice type /clear
>>> std_srvs/Empty

• 调用服务

rosservice call /clear 

• 以不同的方向在另一个位置创建另一只海龟

rosservice type /spawn | rossrv show // 查看该服务的类型
>>> float32 x
	float32 y
	float32 theta
	string name
	---
	string name

rosservice call /spawn 3 3 0.2 "new_turtle" // 调用服务

11). 使用参数服务器 rosparam

参数服务器用于存储所有节点均可访问的数据。ROS中用来管理参数服务器的工具称为 rosparam.

• 查看所有节点使用的服务器参数

rosparam list
>>> /rosdistro
	/roslaunch/uris/host_li_alienware__41685
	/rosversion
	/run_id
	/turtlesim/background_b
	/turtlesim/background_g
	/turtlesim/background_r

• 读取参数的某个值

rosparam get /turtlesim/background_b
>>> 255

• 设定一个新的值

rosparam set /turtlesim/background_b 100

• 使用 dump 参数保存或加载参数服务器的内容

rosparam dump save.yaml

• 使用 load 向参数服务器加载新的数据文件

rosparam load load.yaml namespace

12). 创建节点

创建两个节点：一个发布数据，另一个接收数据.

#include "ros/ros.h"
#include "std_msgs/String.h"
#include 

/*
    发布方
*/

int main(int argc, char **argv)
{
    // 初始化节点
    ros::init(argc, argv, "example_a");
    // 进程的处理程序，它允许我们与环境交互
    ros::NodeHandle n;
    // 将节点实例化成发布者，将发布的主题和类型的名称告知节点管理器
    ros::Publisher chatter_pub = 
        n.advertise<std_msgs::String>("message", 1000);
    // 设置发送数据的频率
    ros::Rate loop_rate(10);

    while (ros::ok()) {
        // 创建消息变量
        std_msgs::String msg;
        std::stringstream ss;
        ss << "I am the example_a_node";
        msg.data = ss.str();

        // 继续发布消息
        chatter_pub.publish(msg);
        // spinOnce 在主循环中执行一次迭代允许用户执行操作
        ros::spinOnce();
        // 将程序挂起
        loop_rate.sleep();

    }
  
    return 0;
}

#include "ros/ros.h"
#include "std_msgs/String.h"

/*
    订阅方
*/

// 回调函数
// 每次节点收到一条消息时，调用该函数处理数据
void chatterCallback(const std_msgs::String::ConstPtr& msg) {
    ROS_INFO("I heard: [%s]", msg->data.c_str());

}

int main(int argc, char  **argv)
{
    ros::init(argc, argv, "example_b");
    ros::NodeHandle n;

    // 创建一个订阅者，并从主题获取以message为名称的消息数据
    ros::Subscriber sub = n.subscribe("message", 1000,
                            chatterCallback);

    // 运行到这里时调用 chatterCallback 回调函数
    ros::spin();

    return 0;
}

13). 编译节点

• 修改 CMakeLists.txt

add_executable(example1_a src/example1_a.cpp)
add_executable(example1_b src/example1_b.cpp)

add_dependencies(example1_a ${${PROJECT_NAME}_EXPORTED_TARGETS} ${catkin_EXPORTED_TARGETS})
add_dependencies(example1_b ${${PROJECT_NAME}_EXPORTED_TARGETS} ${catkin_EXPORTED_TARGETS})

target_link_libraries(example1_a
  ${catkin_LIBRARIES}
)
target_link_libraries(example1_b
  ${catkin_LIBRARIES}
)

• 启动 roscore，并在不同的命令行窗口下分别运行两个节点

roscore
rosrun demo01_pub_cli example1_a

rosrun demo01_pub_cli example1_b

>>> [ INFO] [1700051508.077304984]: I heard: [I am the example_a_node]
	[ INFO] [1700051508.177173843]: I heard: [I am the example_a_node]
	[ INFO] [1700051508.277239966]: I heard: [I am the example_a_node]
	...

• 使用 rosnode 和 rostopic 命令来调试和查看当前节点的运行状况

rosnode info /example_b
>> Node [/example_b]
	Publications: 
	 * /rosout [rosgraph_msgs/Log]
	
	Subscriptions: 
	 * /message [std_msgs/String]
	
	Services: 
	 * /example_b/get_loggers
	 * /example_b/set_logger_level

rostopic info /message 
>>> Type: std_msgs/String

	Publishers: 
	 * /example_a
	
	Subscribers: 
	 * /example_b

rostopic type /message
>>> std_msgs/String

rostopic bw /message
>>> subscribed to [/message]
	average: 296.19B/s
	        mean: 27.00B min: 27.00B max: 27.00B window: 10

14). 创建 msg 和 srv 文件

• 首先创建一个新的 .msg 文件，添加：

int32 A
int32 B
int32 C

• 编辑 package.xml ，取消注释：

<build_depend>message_generationbuild_depend>
<exec_depend>message_runtimeexec_depend>

• 编辑 CMakeList.txt，并编译

find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS
  roscpp
  rospy
  std_msgs
  message_generation
)

generate_messages(
  DEPENDENCIES
  std_msgs
)

# Generate messages in the 'msg' folder
add_message_files(
  FILES
  chapter2_msg1.msg
)

# Generate added messages and services with any dependencies listed here
generate_messages(
  DEPENDENCIES
  std_msgs
)

• 检查编译是否成功，如果看到与 .msg 文件中看到一样的内容，说明编译正确

rosmsg show demo01_pub_cli/chapter2_msg1
>>> int32 A
	int32 B
	int32 C

• 创建一个新的 .srv 文件：

int32 A
int32 B
int32 C
---
int32 sum

• 编辑 package.xml ，取消注释：

<build_depend>message_generationbuild_depend>
<exec_depend>message_runtimeexec_depend>

• 编辑 CMakeList.txt，并编译

catkin_package(
#  INCLUDE_DIRS include
#  LIBRARIES demo01_pub_cli
 CATKIN_DEPENDS message_runtime
#  DEPENDS system_lib
)

# Generate messages in the 'msg' folder
add_message_files(
  FILES
  chapter2_msg1.msg
)

# Generate services in the 'srv' folder
add_service_files(
  FILES
  chapter2_srv1.srv
)

# Generate added messages and services with any dependencies listed here
generate_messages(
  DEPENDENCIES
  std_msgs
)

• 检查编译是否成功，如果看到与 .msg 文件中看到一样的内容，说明编译正确

rossrv show demo01_pub_cli/chapter2_srv1
>>> int32 A
	int32 B
	int32 C
	---
	int32 sum

15). 使用 srv 和 msg 文件

该服务将对三个整数求和，需要两个节点：一个 服务器 和一个 客户端 。

#include "ros/ros.h"
#include "demo01_pub_cli/chapter2_srv1.h"

/*
    服务端
*/

// 回调函数
bool add(demo01_pub_cli::chapter2_srv1::Request &req,
         demo01_pub_cli::chapter2_srv1::Response &res) {

    res.sum = req.A + req.B + req.C;
    ROS_INFO("request: A=%d, B=%d, C=%d", (int)req.A, (int)req.B,
                                          (int)req.C);
    ROS_INFO("sending back response: [%d]", (int)res.sum);

    return true;

}

int main(int argc, char **argv)
{
    ros::init(argc, argv, "add_3_ints_server");
    ros::NodeHandle n;

    // 创建服务并在 ROS 中发布广播
    ros::ServiceServer service = n.advertiseService("add_3_ints", 
                                                    add);

    ROS_INFO("Ready to add 3 ints.");
    ros::spin();

    return 0;
}

#include "ros/ros.h"
#include "demo01_pub_cli/chapter2_srv1.h"
#include 

/*
    客户端
*/


int main(int argc, char **argv)
{
    ros::init(argc, argv, "add_3_ints_client");
    if (argc != 4) {
        ROS_INFO("usage: add_3_ints_client A B C");
        return 1;
    }

    ros::NodeHandle n;

    // 创建客户端，名为 add_3_ints
    ros::ServiceClient client = 
        n.serviceClient<demo01_pub_cli::chapter2_srv1>("add_3_ints");
    
    // 创建 srv 请求类型的实例
    // 加入需要发送的数据值
    demo01_pub_cli::chapter2_srv1 srv;
    srv.request.A = atoll(argv[1]);
    srv.request.B = atoll(argv[2]);
    srv.request.C = atoll(argv[3]);
    
    // 调用服务并发送数据
    if (client.call(srv)) {
        ROS_INFO("Sum: %ld", (long int)srv.response.sum);
    } else {
        ROS_ERROR("Failed to call service add_3_ints");
        return 1;
    }

    return 0;
}

• 编译 CMakeList.txt

add_executable(example2_a src/example2_a.cpp)
add_executable(example2_b src/example2_b.cpp)

add_dependencies(example2_a ${${PROJECT_NAME}_EXPORTED_TARGETS} ${catkin_EXPORTED_TARGETS})
add_dependencies(example2_b ${${PROJECT_NAME}_EXPORTED_TARGETS} ${catkin_EXPORTED_TARGETS})

target_link_libraries(example2_a
  ${catkin_LIBRARIES}
)
target_link_libraries(example2_b
  ${catkin_LIBRARIES}
)

• 启动节点

rosrun demo01_pub_cli example2_a
>>> [ INFO] [1700059229.228592862]: Ready to add 3 ints.
	[ INFO] [1700059253.580802115]: request: A=1, B=2, C=3
	[ INFO] [1700059253.580825139]: sending back response: [6]

rosrun demo01_pub_cli example2_b 1 2 3
>>> [ INFO] [1700059253.580914856]: Sum: 6

• 创建发布和订阅节点

#include "ros/ros.h"
#include "demo01_pub_cli/chapter2_msg1.h"
#include 

int main(int argc, char **argv)
{
    ros::init(argc, argv, "example3_a");
    ros::NodeHandle n;

    ros::Publisher pub = 
        n.advertise<demo01_pub_cli::chapter2_msg1>("message", 1000);
    ros::Rate loop_rate(10);

    while (ros::ok()) {
        demo01_pub_cli::chapter2_msg1 msg;

        msg.A = 1;
        msg.B = 2;
        msg.C = 3;
        pub.publish(msg);
        ros::spinOnce();

        loop_rate.sleep();

    }

    return 0;
}

#include "ros/ros.h"
#include "demo01_pub_cli/chapter2_msg1.h"


void messageCallback(const demo01_pub_cli::chapter2_msg1::ConstPtr& msg) {

    ROS_INFO("I heard: [%d] [%d] [%d]", msg->A, msg->B, msg->C);

}


int main(int argc, char **argv)
{
    ros::init(argc, argv, "example3_b");
    ros::NodeHandle n;

    ros::Subscriber sub = n.subscribe("message", 1000, 
                                    messageCallback);

    ros::spin();

    return 0;
}

• 编译 CMakeList.txt

add_executable(example3_a src/example3_a.cpp)
add_executable(example3_b src/example3_b.cpp)

add_dependencies(example3_a ${${PROJECT_NAME}_EXPORTED_TARGETS} ${catkin_EXPORTED_TARGETS})
add_dependencies(example3_b ${${PROJECT_NAME}_EXPORTED_TARGETS} ${catkin_EXPORTED_TARGETS})

target_link_libraries(example3_a
  ${catkin_LIBRARIES}
)
target_link_libraries(example3_b
  ${catkin_LIBRARIES}
)

• 启动节点

rosrun demo01_pub_cli example3_a

rosrun demo01_pub_cli example3_b
>>> [ INFO] [1700061493.409080424]: I heard: [1] [2] [3]
	[ INFO] [1700061493.509095136]: I heard: [1] [2] [3]
	[ INFO] [1700061493.609056521]: I heard: [1] [2] [3]
	...

16). launch

用于启动多个节点。 当执行启动文件时，并不需要在 roscore 命令前启动，roslaunch 会启动它。当在 shell中只运行一个节点时，可以看到 ROS_INFO 输出的消息。但是当运行启动文件时，则看不到。

• 创建 .launch 文件

<launch>
    <node name="example1_a" pkg="demo01_pub_cli" type="example1_a" />
    <node name="example1_b" pkg="demo01_pub_cli" type="example1_b" />
launch>

• 启动 .launch 文件

roslaunch demo01_pub_cli chapter2.launch

• 查看运行的节点：

rosnode list
>>> /example1_a
	/example1_b
	/rosout

• 运行 rqt_console 程序看到信息

rqt_console

17). 动态参数

配置一个包含动态重配置实用程序功能的基本节点。

• 创建配置文件 .cfg

#! /usr/bin/env python
PACKAGE = "demo01_pub_cli"

# 初始化参数生成器
from dynamic_reconfigure.parameter_generator_catkin import *

gen = ParameterGenerator()

# 加入不同的参数类型并设置默认值、描述、范围等
"""
        gen.add()
                - name: 参数的名称
                - type: 参数值的类型
                - level: 一个传递给回调的位掩码
                - description: 描述
                - default: 节点启动时的默认值
                - min: 参数最小值
                - max: 参数最大值
"""
gen.add("double_param", double_t, 0, "A double parameter",
        .1, 0, 1)
gen.add("str_param", str_t, 0, "A string parameter", "Chapter2_dynamic_reconfigure")
gen.add("int_param", int_t, 0, "An Integer parameter", 1, 0, 100)
gen.add("bool_param", bool_t, 0, "A Boolean parameter", True)

size_enum = gen.enum([gen.const("Low", int_t, 0, "Low is 0"),
                      gen.const("Medium", int_t, 1, "Medium is 1"),
                      gen.const("High", int_t, 2, "High is 2")],
                      
                                "Select from the list")

gen.add("size", int_t, 0, "Select from the list", 1, 0, 3, edit_method=size_enum)

# 生成必要的文件并退出程序
exit(gen.generate(PACKAGE, "demo01_pub_cli", "chapter2_"))

• 修改执行文件的权限

chmod +x *.cfg

• 修改 CMakeList.txt 并编译

find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS
  roscpp
  rospy
  std_msgs
  message_generation
  dynamic_reconfigure
)

generate_dynamic_reconfigure_options(
  cfg/chapter2.cfg
)

add_dependencies(example4 demo01_pub_cli_gencfg)

• 写具有动态重配置支持的新节点

#include 
#include 
#include 

// 参数访问的方式, 将输出参数的新值
void callback(demo01_pub_cli::chapter2_Config &config, uint32_t level) {
    ROS_INFO("Reconfigure Request: %d, %f, %s %s %d",
            config.int_param,
            config.double_param,
            config.str_param.c_str(),
            config.bool_param?"True":"False",
            config.size);

}

int main(int argc, char **argv)
{
    ros::init(argc, argv, "example4_dynamic_reconfigure");

    // 初始化服务器
    dynamic_reconfigure::Server<demo01_pub_cli::chapter2_Config> server;
    dynamic_reconfigure::Server<demo01_pub_cli::chapter2_Config>::CallbackType f;

    f = boost::bind(&callback, _1, _2);

    // 向服务器发送callback函数。当服务器得到重新配置请求时调用 callback 函数
    server.setCallback(f);

    ros::spin();
    return 0;
}

• 修改 CMakeLists.txt , 编译并运行节点和动态重配置 GUI

add_executable(example4 src/example4.cpp)
add_dependencies(example4 demo01_pub_cli_gencfg)

rosrun demo01_pub_cli example4
>>> [ INFO] [1700312052.497444818]: Reconfigure Request: 1, 0.100000, Chapter2_dynamic_reconfigure True 1

rosrun rqt_reconfigure rqt_reconfigure
>>> [ INFO] [1700312097.307494990]: Reconfigure Request: 42, 0.100000, Chapter2_dynamic_reconfigure True 1
	[ INFO] [1700312099.355379827]: Reconfigure Request: 42, 0.470000, Chapter2_dynamic_reconfigure True 1
	[ INFO] [1700312101.253127436]: Reconfigure Request: 73, 0.470000, Chapter2_dynamic_reconfigure True 1
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