ardupilot开发 --- ROS 篇

0. 前言

关于ROS/ROS2;

1. ROS/ROS2

1.1 概念碎片

• LTS：long term support ，一般指长期支持的版本；
• LTS 版本意味着更稳定，Latest 版本意味着键兼更多的platforms和拥有更新更多的ROS packages；
• 尽管已经有了LTS版本，每年还是会发布新版本；
• ROS版本与操作系统版、工具包版本（如QT、PCL、openCV等）、软件版本等相关性很大，建议新手使用推荐的 tier 1，否者容易出现 issues；
• tier 1：官方推荐的运行某ROS版本的指定操作系统和工具包版本：please read REP-2000；
• 在Docker container上安装ROS:https://hub.docker.com/_/ros/
• ROS? ROS2？ ROS已被ROS2取代；
• ROS的官方文档为 https://wiki.ros.org/
• ROS2的官方文档为https://docs.ros.org/，注意前缀与ROS的不同！

1.2 ROS2安装

建议：如果必须用ROS2否则安装ROS；
if installing on a desktop PC, install ROS Desktop-Full, on a companion computer ROS-Base is enough。
官方教程：https://docs.ros.org/en/humble/Installation/Ubuntu-Install-Debians.html#uninstall

1.3 ROS安装

建议安装ROS Noetic Ninjemys 版本；
if installing on a desktop PC, install ROS Desktop-Full, on a companion computer ROS-Base is enough；
建议在wsl上安装，wsl安装Ubuntu-20.04；
官方教程：https://wiki.ros.org/cn/ROS/Installation

• 配置Ubuntu软件仓库：基本上不需要更改！可跳过此步骤直接安装ROS！
  页面配置：https://help.ubuntu.com/community/Repositories/Ubuntu
  命令行配置：https://help.ubuntu.com/community/Repositories/CommandLine
• 安装：https://wiki.ros.org/cn/ROS/Installation
• 使用文档：https://wiki.ros.org/
  可以切换成中文页面；

2. ROS知识点

2.1 碎片

• 计算图（Computation Graph）：是一个由ROS进程组成的点对点网络，它们能够共同处理数据。ROS的基本计算图概念有节点（Nodes）、主节点（Master）、参数服务器（Parameter Server）、消息（Messages）、服务（Services）、话题（Topics）和袋（Bags），它们都以不同的方式向图（Graph）提供数据。
• 节点（Nodes）：节点是一个可执行文件，它可以通过ROS来与其他节点进行通信。
• 消息（Messages）：订阅或发布话题时所使用的ROS数据类型。
• 话题（Topics）：节点可以将消息发布到话题，或通过订阅话题来接收消息。
• 主节点（Master）：ROS的命名服务，例如帮助节点发现彼此。
• rosout：在ROS中相当于stdout/stderr（标准输出/标准错误）。
• roscore：主节点 + rosout + 参数服务器（会在以后介绍）。
• roscore是你在运行所有ROS程序前首先要运行的命令。
• 从帮助文档中选择性观看： tutorials and demos
• 如果你在查找和使用ROS软件包方面遇到了问题，请确保已经正确配置了环境。有个好办法可以检查，确保ROS_ROOT 和 ROS_PACKAGE_PATH这两个环境变量正确设置：$ printenv | grep ROS
  其中：
  printenv命令：打印部分或所有的环境变量
  grep命令：在 Shell 中，grep 命令是一种用于在文件中查找指定字符串的强大工具
  管道符 “ | ” ：管道符是一个神奇的工具，它可以轻易地连接两个毫不相关的程序，把一个程序的结果交给另一个来处理，甚至，不停地交接处理，如 ps –ef | grep python
  如果没有的话，这个时候你就需要重新source一下了：$ source /opt/ros/noetic/setup.bash
• 检查环境变量是否配置正确：printenv | grep ROS
  
  否则要手动source一下：source /opt/ros//setup.bash 如 source /opt/ros/noetic/setup.bash
• 有用的文件系统工具（命令）：
  1）软件包的所在路径：rospack find 包名 如 rospack find mavros
  2）切换目录（cd）到某个软件包或者软件包集当中：roscd 包名 如 roscd mavros
  3）rosls mavros
  4）包名或节点名，Tab补全
• catkin文档
• 软件包，又称catkin软件包，至少由 package.xml、CMakeLists.txt、文件夹，组成；
• catkin_make是在标准CMake工作流程中依次调用了cmake和make
• 使用catkin_create_pkg脚本来创建一个新的catkin软件包（暂时不包含任何可执行cpp文件，只有基本架构文件）
  参考：https://wiki.ros.org/cn/ROS/Tutorials/BuildingPackages

mkdir -p ~/ros_learn_ws/src
cd ~/ros_learn_ws/src
catkin_create_pkg beginner_tutorials std_msgs rospy roscpp
cd ~/ros_learn_ws
catkin_make
source ~/ros_learn_ws/devel/setup.bash
printenv | grep ROS

• 包依赖关系
  1）直接依赖关系：$ rospack depends1 beginner_tutorials
  或在package.xml中查看：$ roscd beginner_tutorials && cat package.xml
  2）检测出所有嵌套的依赖包：$ rospack depends beginner_tutorials
• 简化package.xml的冗余项：https://wiki.ros.org/cn/ROS/Tutorials/CreatingPackage
• catkin_make 是一个命令行工具，它简化了标准catkin工作流程。你可以认为catkin_make是在标准CMake工作流程中依次调用了cmake和make。
  如果你不熟悉什么是标准CMake工作流程，可以认为是以下几个步骤：
  
• catkin_make的高级用法
• 编译软件包
  编译 ros工作空间 / src 下的所有软件包：

cd ~/ros_learn_ws
catkin_make

2.2 节点(node)

• roscore
  是你在运行所有ROS程序前首先要运行的命令。
• rosnode
  rosnode list ：列出当前运行的所有节点；
  rosnode --help
• /rosout节点
  在ROS中相当于stdout/stderr（标准输出/标准错误）
• rosrun
  可以让你用包名直接运行软件包内的节点（而不需要知道包的路径）。
  用法：rosrun [package_name] [node_name]
  如：rosrun turtlesim turtlesim_node
  重新分配节点名称: rosrun turtlesim turtlesim_node __name:=my_turtle

2.3 主题(Topics)

• 主题（Topics）：节点可以将消息发布到话题，或通过订阅话题来接收消息

• 多对多通讯

• 查看节点间的主题发布与订阅：rqt_graph 工具或 rqt
  

• rostopic echo [topic]
  显示在某个话题上发布的数据

• rostopic 空格 双击 tab 键
  查看可用选项

• rostopic list
  列出当前已被订阅和发布的所有话题
  rostopic list [option]
  rostopic list -h/-b/-p/-s/-v

• rostopic type
  查看某主题发布的的message类型
  rostopic type [topic]
  rostopic type /turtle1/cmd_vel

• rosmsg show
  查看某message的详细信息
  rosmsg show [message]
  rosmsg show geometry_msgs/Twist

• rostopic pub
  把自定义数据发布到主题上
  rostopic pub [topic] [msg_type] [args]
  rostopic pub --help
  rostopic pub -1 /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/Twist - - ‘[2.0, 0.0, 0.0]’ ‘[0.0, 0.0, 1.8]’
  其中，这一选项（两个破折号 – ）用来告诉选项解析器，表明之后的参数都不是选项。如果参数前有破折号（-）比如负数，那么这是必需的。
  参数’[2.0, 0.0, 0.0]’ '[0.0, 0.0, 1.8]'是用YAML语法表示的，语法介绍请参考：YAML命令行文档

• rostopic hz
  报告发布到主题数据发布的速率
  rostopic hz [topic]
  rostopic hz /turtle1/pose

• rqt_plot
  rqt_plot命令可以在滚动时间图上显示发布到某个话题上的数据
  请参考：https://wiki.ros.org/cn/ROS/Tutorials/UnderstandingTopics

2.4 服务

• 除了主题的发布和订阅，服务（Services）是节点之间通讯的另一种方式。服务允许节点发送一个请求（request）并获得一个响应（response）。
• 一对一通讯
• rosservice list
  输出活跃服务的信息
• rosservice type
  输出服务的类型，查看请求某服务时是否需要参数 ，若是empty（空）则表明调用这个服务时不需要参数
  rosservice type [service]
  rosservice type /clear
  查看类型的具体数据结构：rossrv show [data type]
  rosservice type /spawn | rossrv show
• rosservice call
  请求某服务、用给定的参数调用服务
  rosservice call [service] [args]
  请求无参数的服务：rosservice call /clear
  请求有参数的服务：rosservice call /spawn 2 2 0.2 “”
• rosservice find
  按服务的类型查找服务
• rosservice uri
  输出服务的ROSRPC uri

2.5 参数服务器（Parameter Server）

• rosparam能让我们在ROS参数服务器（Parameter Server）上存储和操作数据。参数服务器能够存储整型（integer）、浮点（float）、布尔（boolean）、字典（dictionaries）和列表（list）等数据类型。rosparam使用YAML标记语言的语法。一般而言，YAML的表述很自然：1是整型，1.0是浮点型，one是字符串，true是布尔型，[1, 2, 3]是整型组成的列表，{a: b, c: d}是字典。
• rosparam list
  列出当前服务器上的所有参数
• rosparam set
  设置参数服务器中的某参数
  rosparam set [param_name]
  rosparam set /turtlesim/background_r 150
  使设置的参数生效：rosservice call /clear
• rosparam get
  获取某参数的当前值
  rosparam get [param_name]
  rosparam get /turtlesim/background_g
  显示所有参数的值：rosparam get /
• rosparam load
  从文件中加载参数
  rosparam load [file_name] [namespace]
• rosparam dump
  向文件中转储参数
  rosparam dump [file_name] [namespace]
  rosparam dump params.yaml
• rosparam delete
  删除参数
  rosparam delete [file_name]

2.6 使用rqt_console和rqt_logger_level进行调试

• rqt_console连接到了ROS的日志框架，以显示节点的输出信息。rqt_logger_level允许我们在节点运行时改变输出信息的详细级别，包括Debug、Info、Warn和Error`
• rosrun rqt_console rqt_console
• rosrun rqt_logger_level rqt_logger_level
• https://wiki.ros.org/cn/ROS/Tutorials/UsingRqtconsoleRoslaunch

2.7 使用roslaunch来启动定义在.launch文件中的节点

• roslaunch --help
• roslaunch [package] [filename.launch]
• 存放launch文件的目录不一定非要命名为launch，事实上都不用非得放在目录中，roslaunch命令会自动查找经过的包并检测可用的启动文件。然而，这种推荐的标准做法被认为是“最佳实践”。
• https://wiki.ros.org/cn/ROS/Tutorials/UsingRqtconsoleRoslaunch

2.8 使用rosed在ROS中编辑文件

• rosed默认的编辑器是vim。其实Ubuntu默认还有一个初学者更友好的编辑器gedit，你可以把下面这行加到~/.bashrc文件中来更改默认编辑器：export EDITOR=‘gedit-w’
• rosed是rosbash套件的一部分。利用它可以直接通过软件包名编辑包中的文件，而无需键入完整路径。
• rosed [package_name] [filename]
  rosed roscpp Logger.msg
• Tab补全
  在不知道准确文件名的情况下，你也可以轻松地查看和编辑包中的所有文件
  rosed [package_name] < tab >< tab >
  rosed roscpp < tab >< tab >

2.9 消息(msg)

2.9.1 一些概念

• .msg文件本质是文本文件，用于描述ROS消息的字段，用于帮助生成对应的.cpp或.py源代码。
• .msg文件一般存放在软件包的msg目录下，msg文件就是简单的文本文件，每行都有一个字段类型和字段名称。可以使用的类型包括：
  int8, int16, int32, int64 (以及 uint*)
  float32, float64
  string
  time, duration
  其他 msg 文件
  variable-length array[] 和 fixed-length array[C]
  Header 它含有时间戳和ROS中广泛使用的坐标帧信息，一般定在第一行
• 例如：
  Header header
  string child_frame_id
  geometry_msgs/PoseWithCovariance pose
  geometry_msgs/TwistWithCovariance twist
  其中，使用了Header、字符串原语和其他两个消息的示例： 上面是一个msg文件的样例，它使用了Header，string，和其他另外两个消息的类型。
• 消息格式的完整规范在消息描述语言中。

2.9.2 创建消息

• 1）创建一个.msg文件
  roscd beginner_tutorials
  mkdir msg
  echo “int64 num” > msg/Num.msg

• 2）编辑.msg文件
  rosed beginner_tutorials Num.msg
  添加：
  string first_name
  string last_name
  uint8 age
  uint32 score

• 3）启用 message_generation 功能
  修改 beginner_tutorials / package.xml 文件，如果没有则添加，如果被注释了则取消注释：
  message_generation
  message_runtime

• 4）为 find_package 添加 message_generation 依赖项
  在CMakeLists.txt中查找find_package，在末尾添加message_generation，其他不变：
  find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS
    …
   message_generation
  )

• 5）确保导出消息运行时的依赖关系
  在 CMakeLists.txt 中找到catkin_package，取消该行的注释，并加入一项 message_runtime ：
  

• 6）手动添加.msg文件
  在 CMakeLists.txt 中找到 add_message_files，取消注释，并将 Message1.msg、Message2.msg修改成（1）中创建的msg名称，如Num.msg ：
  add_message_files(
   FILES
   Num.msg
  )

• 7）确保CMake知道何时需要重新配置项目
  在ROS Groovy及早期版本中：注释generate_messages()
  在ROS Hydro及更新版本中：
  在 CMakeLists.txt 中找到 generate_messages，取消注释：
  generate_messages(
   DEPENDENCIES
   std_msgs
  )

• 8）重新编译软件包以生成 msg
  cd ~/ros_learn_ws
  catkin_make

• 9）查看生成的消息
  rosmsg show [message type]
  rosmsg show beginner_tutorials/Num
  或：rosmsg show Num
  rosmsg -h
  rosmsg show -h

2.10 创建服务

2.10.1 一些概念

• .srv文件描述一个服务。它由两部分组成：请求（request）和响应（response）。
• 与.msg类似，.srv也用于帮助生成对应的.cpp或.py源代码。
• .srv文件则存放在srv目录下。
• srv文件和msg文件一样，只是它们包含两个部分：请求和响应。这两部分用一条 “- - - ” 线隔开。下面是一个.srv文件的示例，其中，A和B是请求时的输入参数, Sum是响应结果：
  

2.10.2 创建服务步骤

• 1）创建一个.srv文件
  roscd beginner_tutorials
  mkdir srv
  echo “int64 A” > srv/MySrv.srv

• 2）编辑.srv文件
  rosed beginner_tutorials MySrv.srv
  编辑：
  

• 3）启用 message_generation 功能
  修改 beginner_tutorials / package.xml 文件，如果没有则添加，如果被注释了则取消注释：
  message_generation
  message_runtime

• 4）为 find_package 添加 message_generation 依赖项
  在CMakeLists.txt中查找find_package，在末尾添加message_generation，其他不变：
  find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS
    …
   message_generation
  )

• 5）确保导出消息运行时的依赖关系
  在 CMakeLists.txt 中找到catkin_package，取消该行的注释，并加入一项 message_runtime ：
  

• 6）手动添加.srv文件
  在 CMakeLists.txt 中找到 add_service_files，取消注释，并将 Service1.srv、Service2.srv 修改成（1）中创建的srv名称，如MySrv.srv：
  add_service_files(
   FILES
   MySrv.srv
  )

• 7）确保CMake知道何时需要重新配置项目
  在ROS Groovy及早期版本中：注释generate_messages( )
  在ROS Hydro及更新版本中：
  在 CMakeLists.txt 中找到 generate_messages，取消注释：
  generate_messages(
   DEPENDENCIES
   std_msgs
  )

• 8）重新编译软件包以生成 msg
  cd ~/ros_learn_ws
  catkin_make

• 9）查看生成的消息
  rossrv show < service type >
  rossrv show beginner_tutorials/MySrv
  或 rossrv show MySrv

待续…20231207, 学习MavSDK去了…

3. ROS2知识点

• The ROS 1 bridge can connect topics from ROS 1 to ROS 2 and vice-versa. See the dedicated documentation on how to build and use the ROS 1 bridge.
• 从帮助文档中选择性观看： tutorials and demos

问题合集

• 如果roscore运行后没有初始化，很有可能是网络配置的问题。参见网络配置 - 单机器配置。
• 如果roscore不能初始化并提示缺少权限，可能是因为~/.ros目录属于root用户（只有root用户才能访问），可以用以下命令递归地更改该目录的所有权：
  $ sudo chown -R ~/.ros
• 当打开一个新的终端时，环境将会重置，_{/.bashrc文件将会生效。如果你在运行rosnode等命令时出现一些问题，那么可能需要将一些环境设置文件添加到}/.bashrc或手动source一下。
• catkin: command not found
  https://blog.csdn.net/weixin_58045467/article/details/126511275
• 关于：the rosdep view is empty: call ‘sudo rosdep init’ and ‘rosdep update’
  以及 rosdep: command not found
  https://blog.csdn.net/qq_44339029/article/details/130494206

sudo apt install python3-rosdep
sudo rosdep init
rosdep update

解决问题的途径

参考：https://wiki.ros.org/Support

• ROS 新闻，不用于发布问题：http://discourse.ros.org
• Troubleshooting
• FAQ
• Robotics Stack Exchange
• 其他：https://wiki.ros.org/cn/community
  

关于软件包

• 官方地址：ROS Index
• 先选中对应的ROS版本：
  
• 搜索软件包（注意ROS版本）
  
• 查看软件包的使用文档、开发文档
  1）使用文档
  包搜索后点进去的页面就是使用文档，需要关注的点为：
  
  2）开发文档：