ROS入门21讲笔记（总结自用）

简述

一周看完了古月老师的ROS入门21讲，理清了ROS工作空间和各个功能包是如何相互通讯的，还有如何自建功能包编写内部的代码等。本文跳过Linux命令行、ROS安装等环境搭建问题，重点记录如何写ROS的程序。

创建工作空间和功能包

在home中创建项目文件夹，在项目文件夹中再创建src文件夹，随后进入src文件夹中进行工作空间的初始化，和功能包的创建，最后到工作空间文件夹中进行编译，最后还需要设置环境变量。具体的命令行代码如下：

mkdir -p ~/catkin_ws/src
cd ~/catkin_ws/src
catkin_init_workspace
catkin_pkg_create pkg_name depend1 depend2  ....
cd ..
catkin_make
source ~/catkin_ws/devel/setup.bash
echo "source /WORKSPACE/devel/setup.bash">>~/.bashrc //添加到系统环境变量中

后续的所有代码编写都会在此工作空间下和功能包内进行。

话题（Topic）

话题是发布者Publisher和订阅者Subscriber相互之间传输消息Messages的通道，是一种单向的通讯，一个话题可以包括多个msg对象，需要掌握消息，发布者和订阅者的编写方法。可以用C++或者Python编写发布者和订阅者，C++需要在CMakelist文件中进行修改，使得编译成功；而Python无需编译但需要改执行权限。以下代码使用C++编写，下面做整体的总结。

消息（Messages）

在功能包内创建msg文件夹，并在其中创建.msg文件，文件名即对象名，如asoul.msg即创建asoul这个新对象。 随后需要在功能包内的CMakelist.txt和package.xml文件中配置依赖和编译规则。

每个消息都是一种严格的数据结构，支持标准数据类型（整型、浮点型、布尔型等），也支持嵌套结构和数组（类似于C语言的结构体struct），还可以根据需求由开发者自主定义。——《ROS机器人开发实践》

MESSAGE.msg

string name
uint8 age
………… 

CMakelist.txt

find_package(..... message_generation)

add_message_files(FILES MESSAGE.msg)
generate_messages(DEPENDENCIES std_msgs)

catkin_package(... message_runtime)

package.xml

<build_depend>message_generationbuild_depend>
<exec_depend>message_runtimeexec_depend>

发布者（Publisher）

需要在功能包的src文件下创建.cpp文件，文件名最好与发布名相同，以便后续的使用。不同于message，发布者仅需要对CMakelist.txt文件进行配置。
PUBLISHER.cpp

#include 
#include   //发布某个功能包下的某个消息

int main(int argc,char *argv){
	// 节点初始化
	ros::init(argc,argv,"node_name");
	//创建节点句柄
	ros::NodeHandle n;
	//创建Publisher对象,发布名为/topic_name的topic，此处topic可以选择已存在的topic，消息类型是msgs定义的类，队列长度为10
	ros::Publisher publisher_name = n.advertise<msgs的类型>("/topic_name",10);
	//设置循环频率,10ms
	ros::Rate loop_rate(10);
	while(ros::ok()){
		//初始化msgs下类型的消息，及新建msg对象并给对象变量赋值
		msgs::asoul  idol;
		idol.name = "";
		idol.age = "";
		//发布消息
		publisher_name.publish(idol);
		ROS_INFO()	//日志内容
		//按照循环频率延时
		loop_rate.sleep();
	}
	return 0;
}

CMakelist.txt

add_executable(PUBLISHER src/PUBLISHER.cpp)
target_link_libraries(PUBLISHER ${catkin_LIBRARIES})

订阅者（Subscriber）

与发布者相同，需要在功能包的src文件夹下创建.cpp文件，也需要对CMakelist.txt文件进行配置。
SUBSCRIBER.cpp

#include 
#include 	//订阅某个功能包下的某个消息

// 接收到订阅的消息类型后，会进入回调函数
void callback(const package::msg_name::ConstPtr& msg){
	//回调函数下的任务不可以过于复杂，否则会在处理数据的时候丢失发布者的实时数据
	ROS_INFO();
}

int main(int argc,char *argv){
	// 节点初始化
	ros::init(argc,argv,"node_name");
	//创建节点句柄
	ros::NodeHandle n;
	//创建Subscriber对象,订阅/topic_name的topic，注册回调函数
	ros::Subscriber subscriber_name = n.subscribe("/topic_name",10,callback);
	//循环等待回调函数
	ros::spin();
	return 0;
}

CMakelist.txt

add_executable(SUBSCRIBER src/SUBSCRIBER.cpp)
target_link_libraries(SUBSCRIBER ${catkin_LIBRARIES})

服务（Service）

服务不同于话题，是一种同步通信的方式，允许客户端(Client)向服务端发送请求(Request)，同时服务端(Server)处理后反馈应答(Response)。与话题相似也需要掌握服务数据，客户端和服务端的编写方法，编写完成也需要进行文件配置。

服务数据(srv)

在功能包内创建srv文件夹，并在其中创建.srv文件，srv文件包括请求和应答两个数据域，数据类型与消息msg类似，但需要使用---进行数据域的分割。同样也需要在功能包内的package.xml和CMakelist.txt文件中配置依赖和编译规则。
Test.srv

int64 id
...............	//客户端发送请求的数据类型
---
String name
...............	//服务端发送应答的数据类型

CMakelist.txt

find_package(..... message_generation)

add_message_files(FILES Test.srv)
generate_messages(DEPENDENCIES std_msgs)

catkin_package(... message_runtime)

package.xml

<build_depend>message_generationbuild_depend>
<exec_depend>message_runtimeexec_depend>

客户端

同样需要在功能包下的src文件夹内创建.cpp文件，
CLIENT.cpp

#include 
#include   //发布某个功能包下的某个服务数据

int main(int argc, char** argv){
	//初始化ROS节点
	ros::init(argc, argv, "Node_NAME");
	//创建节点句柄
	ros::NodeHandle n;
	//等待SERVER服务端启动，创建客户端并连接
	ros::service::waitForService("/SERVER_NAME");
	ros::ServiceClient client = n.serviceClient<package_name::srv_name>("/SERVER_NAME");
	
	//初始化请求数据,即给srv请求数据赋值
	package_name::srv_name srv;
	srv.request.a = 2;
	.....
	
	//请求服务调用	call	waitForService	spin均为阻塞型函数，若没有反馈后续代码不会运行
	client.call(srv);

	//如果得到服务器的反馈，则可以运行查看是否调用成功srv.response
	ROS_INFO("%s",srv.response.name.c_str());
	
	return 0;
}

CMakelist.txt

add_executable(CLIENT src/CLIENT.cpp)
target_link_libraries(CLIENT ${catkin_LIBRARIES})

服务端

古月老师在21讲的服务端加入了发布者，来实现小乌龟的绕圈运动。服务和话题可以同时写入一个文件中使用，从而实现我们想要的功能。由于是总结性笔记，此处仅仅编写如何接受客户端发送的请求，和如何将回应发出，具体代码如下。
SERVER.cpp

#include 
#include   //发布某个功能包下的某个服务数据

//回调函数，输入参数req，输出参数res
void callback(package_name::srv_name::Request &req, package_name::srv_name::Response &res){
	//与订阅者的回调函数相似,区别在于有两个数据进入函数，可以获取请求数据进行查询或计算，还可以设置反馈数据
	ROS_INFO("%d", req.id);
	res.name = "JR";
	.......
}

int main(int argc, char **argv){
	//ROS节点初始化
	ros::init(argc, argv, "Node_Name");
	//创建节点句柄
	ros::NodeHandle n;
	//创建名为/Server_name的server,注册回调函数
	ros::ServiceServer server = n.advertiseService("/Server_name", callback);
	//循环等待回调函数
	ROS_INFO("");
	ros::spin();   
	//如果在while循环内查询队列，则需要使用ros::spinOnce()方法，使得while正常运行
	return 0;
}

CMakelist.txt

add_executable(SERVER src/SERVER.cpp)
target_link_libraries(SERVER ${catkin_LIBRARIES})

坐标管理系统（TF）

在机器人设计和机器人应用过程中，都会涉及到不同组件的位置和姿态，这就需要引入坐标系以及坐标变换的概念。TF功能包是一个让用户随时间跟踪多个坐标系的功能包，使用树形数据结构，根据时间缓冲并维护多个坐标系之间的坐标变换关系，可以帮助我们在任意时间完成坐标系之间的点、向量等坐标变换。而使用TF功能包需要编写广播（Broadcaster）和监听（Listener）两个部分。

广播（Broadcaster）

古月老师使用了小乌龟示例，更容易理解，此处仅编写如何将坐标系和坐标变换广播出去。同样的需要在功能包的src下建立.cpp文件，对功能包内的CMakelist.txt配置编译规则。
Broadcaster.cpp

#include 
#include 
#include 	//此处需要添加需要广播的坐标数据

//回调函数中的msg可能包含x,y,z和r,p,y，存在则用msg->赋值
void poseCallback(const package_name::pose_msgConstPtr& msg){
	//创建tf的广播器
	static tf::TransformBroadcaster br;

	//初始化tf数据，即创建坐标变换值
	tf::Transform transform;
	transform.setOrigin(tf::Vector3(msg->x,msg->y,msg->z));	//设置坐标变换平移
	tf::Quaternion q;	//此处采用RPY设置坐标变换旋转，即xyz三轴旋转的方式，还可以直接使用四元数
	q.setRPY(roll, pitch, yaw);
	transform.setRotation(q)	//transform.setRotation(tf::Quaternion( , , , ));四元数方法
	//广播两个坐标系之间的tf数据
	br.sendTransform(tf::StampedTransform(transform, ros::Time::now(), "frame1", "frame2"));
}

int main(int argc, char** argv){
	//初始化ROS节点
	ros::init(argc, argv, "node_name");
	//创建节点句柄
	ros::NodeHandle n;
	//订阅存有坐标信息的位姿话题
	ros::Subscriber sub = n.subscribe("",10.&poseCallback);
	//循环等待回调函数
	ros::spin();
	
	return 0;
}

CMakelist.txt

add_executable(Broadcaster src/Broadcaster.cpp)
target_link_libraries(Broadcaster ${catkin_LIBRARIES})

监听（Listener）

监听器可以用于监听和计算tf数据，在此同样仅仅写出监听相关的代码，不对具体的应用做拓展。
Listener.cpp

#include 
#include 

int main(int argc, char **argv){
	//初始化ROS节点
	ros::init(argc, argv, "node_name");
	//创建节点句柄
	ros::NodeHandle n;
	//获取frame1和frame2之间的坐标变换关系
	tf::TransformListener listener;
	while(ros.ok()){
		tf::StampedTransform transform;
		try{
			listener.waitForTransform("/frame1", "/frame2", ros::Time(0), ros::Duration(3.0));	//
			listener.lookupTransform("/frame1", "/frame2", ros::Time(0),transform);
		}catch{
			ROS_ERROR("%s",ex.what());
			ros::Duration(1.0).sleep();
			continue;
		}
		//使用transform中的数据进行运算
		float angular = atan2(transform.getOrigin().x(),transform.getOrigin().y());
		float linear = sqrt(pow(transform.getOrigin().x(),2))+
											pow(transform.getOrigin().y(),2));
		ROS_INFO(angular, linear);
	}

	return 0;
}

CMakelist.txt

add_executable(Listener src/Listener.cpp)
target_link_libraries(Listener ${catkin_LIBRARIES})

启动文件（.launch）的使用

启动文件可以同时启动多个节点并自动启动ROS Master节点管理器，并且可以实现每个节点的配置，为多节点的操作提供很大的便利性。在此写一个示例，简单的列举下基本元素如node、launch、param、arg等。每个元素内部的属性作用需要参考古月老师的《ROS机器人开发实践》或是参考launch文件解析
Test.launch

<launch>
	
	<---param为全局字典中的参数，arg为launch文件下使用的参数--->
	<param name="param_name"	value=""/>
	<arg name="argument_name" value="">
	
	<node pkg="package_name" type="node_file_name" name="node_name">
		<param name="argTest" value="&(arg argument_name)"/>
		<rosparam file="FILE_PATH/test.yaml" command=load/>
	node>
	
	<node pkg="package_name" type="node_file_name" name="node_name" args="argument" output="screen"/>
	
launch>

结语

至此算是了解了ROS编程的一些皮毛，仍然需要进一步在应用中实践。上述并非21讲全部内容，Ubuntu和ROS的安装在古月老师的21讲中也有详细介绍，此外还有Qt、Rivz、Gezabo等可视化工具的应用。十分感谢古月老师的课程和书籍，让ROS的学习之路变得相对平坦。
怕什么真理无穷，进一步有进一步的欢喜。