学习笔记 9.22 - 9.29

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学习笔记一

一、ROS1 官方教程1-9章

1、Installing and Configuring Your ROS Environment

安装和配置 ROS 环境

1.1 在 Ubuntu16.04 下安装 ROS 的 kinetic 版本

workstation 安装流程：here

ros 安装流程：here

在安装 ROS 的过程中我选择的是清华的源，由于在第五步中出现网速的问题，切换 4G 和 Wifi 均无法解决网速问题。由于可以打开网页所以选择如下的方法，解决rosdep init和rosdep update出现的问题：here

链接中最后写到如果最后不行考虑是dns的问题，我最后也不行，但是可以打开网页自行添加文件，我认为这不算是 DNS 的问题，应该是网速的问题。如果无法打开网页版的文件，考虑是DNS 的问题。

并且在安装 ROS 的过程中学到了 linux 的基础指令：

全局返回： cd
上一级目录： cd ..
创建文件夹： mkdir new_folder_name
创建文件： gedit new_doc_name
删除文件夹： rmdir folder_name 
删除文件： rm doc_name

此外这三个链接对我也有很大的启发：1，2，3

1.2 在 Ubuntu20.04 下安装 ROS 的 Noetic 版本

• 要在安装完 ROS 之后配置环境，否则无法使用 roscore

$ source /opt/ros/noetic/setup.bash
$ echo "source /opt/ros/noetic/setup.bash" >> ~/.bashrc
$ source ~/.bashrc

• 在修改目录 /lib/python3/dist-packages/rosdep2 下的 gbpdistro_support.py 文件时，在 205 行使用 tab 会导致编译失败，应该使用空格。之后 rosdep update 成功。

1.3 创建 ROS 工作空间

这些操作方法只适用于ROS Groovy及更新版本

使用以下代码创建一个 catkin 工作空间，其中 catkin_make 是编译整个工作空间的命令，之后会多次使用这一命令。

$ mkdir -p ~/catkin_ws/src
$ cd ~/catkin_ws/
$ catkin_make
$ source devel/setup.bash
# make sure ROS_PACKAGE_PATH environment variable includes the directory ur in
$ echo $ROS_PACKAGE_PATH /home/<username>/catkin_ws/src:/opt/ros/<distro>/share

2、Navigating the ROS Filesystem

ROS 文件系统导览

2.1 文件系统概念简介

• Packages： ROS 代码的软件组织单元，每个 Pkg 都包含 libraries，executable 等其他文件
• package.xml： 定义了包之间的依赖，并记录了包的元信息，如版本、维护者、许可证等。

2.2 文件系统工具

ROS 提供了专门的命令工具来简化操作：

# 获取软件包的所在路径
# $ rospack find [package_name]
$ rospack find roscpp
# 切换到某个软件包的路径中
# $ roscd [locationname[/subdir]]
$ roscd roscpp
# 按软件包的名称执行 ls 命令
# $ rosls [locationname[/subdir]]
$ rosls roscpp_tutorials

3、Creating a ROS Package

创建 ROS 软件包

3.1 catkin 工作空间结构

workspace_folder/        -- WORKSPACE
  src/                   -- SOURCE SPACE
    CMakeLists.txt       -- 'Toplevel' CMake file, provided by catkin
    package_1/
      CMakeLists.txt     -- CMakeLists.txt file for package_1
      package.xml        -- Package manifest for package_1
    ...
    package_n/
      CMakeLists.txt     -- CMakeLists.txt file for package_n
      package.xml        -- Package manifest for package_n

3.2 创建 ROS 软件包

# 在工作空间的源文件空间目录中创建包
# $ cd ~//src
$ cd ~/catkin_ws/src
# 声明包的依赖
# catkin_create_pkg  [depend1] [depend2] [depend3]
$ catkin_create_pkg beginner_tutorials std_msgs rospy roscpp
$ cd ~/catkin_ws
$ catkin_make
# 将工作空间添加到 ROS 环境中
$ . ~/catkin_ws/devel/setup.bash

3.3 软件包的依赖关系

使用 rospack 查看一级依赖包，同时这些包的依赖关系存储在 package.xml 文件中。此外一个一个软件包可以有间接的依赖关系。

$ rospack depends1 beginner_tutorials
# 查看 package.xml
$ roscd beginner_tutorials
$ cat package.xml
# 查看间接依赖
$ rospack depends1 rospy
# 查看所有依赖
$ rospack depends beginner_tutorials

4、Building a ROS Package

构建 ROS 软件包
使用 catkin_make 命令编译后，在 catkin 工作空间生成了新的文件夹：

• build：构建空间的默认位置，同时cmake和make也是在这里被调用来配置和构建软件包
• devel：开发空间的默认位置, 在安装软件包之前，这里可以存放可执行文件和库，比如可执行文件生成后就会被放在 ‘./devel/libs’ 的路径下

5、Understanding ROS Nodes

理解 ROS 节点

5.1 ROS的基本计算图概念

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。

• 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，节点可以发布或订阅话题，也可以提供或使用服务
• 主节点（Master）：ROS的命名服务，例如帮助节点发现彼此
• 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
• rosout ：标准输入/输出
• roscore ：主节点 + rosout + 参数服务器

5.2 运行程序

# 运行 roscore
$ roscore
# 查看活跃节点 in a new terminal
$ rosnode list
# 查看指定节点的信息
# $ rosnode info /rosout
# 运行 turtlesim 包中的 turtlesim_node
$ rosrun turtlesim turtlesim_node

6、Understanding ROS Topics

理解 ROS 话题

$ roscore
# new terminal
$ rosrun turtlesim turtlesim_node
# new terminal
# 想要移动乌龟需要选中 turtle_teleop_key 的终端窗口
$ rosrun turtlesim turtle_teleop_key

于是得知：turtlesim_node 节点和 turtle_teleop_key 节点之间是通过一个叫 /turtle1/cmd_vel 的 ROS 话题来相互通信的。turtle_teleop_key 在话题上发布键盘按下的消息，turtlesim 则订阅该话题以接收消息。之后使用 rostopic 工具获取 ROS 话题的信息。

# 数据发布在/turtle1/cmd_vel话题上
$ rostopic echo /turtle1/cmd_vel

此时显示 rostopic 命令也 subscribe 了相同的 topic

7、Understanding ROS Services and Parameters

理解 ROS 服务和参数

ROS 中的服务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）。

7.1 使用 rosservice

# 输出活跃服务的信息
$ rosservice list
# 输出服务的类型
# $ rosservice type [service]
$ rosservice type /clear
# 返回 std_srvs/Empty 表示调用这个服务时不需要参数
# 调用服务
# rosservice call [service] [args]
# 清除 turtlesim_node 背景上的轨迹
$ rosservice call /clear
# 查看spawn（产卵）服务的信息
$ rosservice type /spawn | rossrv show
# 返回信息如下：
# float32 x
# float32 y
# float32 theta
# string name
# ---
# string name
# 通过这些信息可以在（x，y）的位置上生成一个偏转角度为 theta 名叫 name 的新乌龟

7.2 使用 rosparam

修改背景的颜色

# rosparam set [param_name]
$ rosparam set /turtlesim/background_r 150
# 调用clear服务使得参数的修改能生效
$ rosservice call /clear

获取背景的绿色通道的值

# rosparam get [param_name]
$ rosparam get /turtlesim/background_g 
# output = 86

显示参数服务器上的所有内容

$ rosparam get /

将所有的参数写入params.yaml文件

# rosparam dump [file_name] [namespace]
$ rosparam dump params.yaml
# 可以将yaml文件重载入新的命名空间，例如copy_turtle
$ rosparam load params.yaml copy_turtle

8、Using rqt_console and roslaunch

使用 rqt_console 和 roslaunch

8.1 使用 rqt_console 和 rqt_logger_level

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。使用如下命令启动 Console 窗口和 Logger Level 窗口，查看 turtlesim 启动后发布的所有信息。

$ rosrun rqt_console rqt_console
$ rosrun rqt_logger_level rqt_logger_level

8.2 使用 roslaunch

在一个大型的机器人项目中，经常涉及到多个节点协同工作，每个节点又有很多的参数。为了避免手动 rosrun 每个节点并传入参数，可以将需要启动的节点和需要设置的参数全部写入一个 launch 文件中，然后用 roslaunch 一次性的启动 launch 文件，这样就可以启动所有的节点。并且 roslaunch 命令会自动去启动 roscore。

<!--所有的描述标签都要写在<launch></launch>之间-->
<launch>
   <!--group标签用于将node批量划分到某个命名空间，便于大项目中节点的批量管理-->
   <!--node标签里包含了ROS图中节点的名称属性name、该节点所在的包名pkg、节点的类型type、调试属性output-->
   <group ns="turtlesim1">
     <node pkg="turtlesim" name="sim" type="turtlesim_node"/>
   </group>
   <group ns="turtlesim2">
     <node pkg="turtlesim" name="sim" type="turtlesim_node"/>
   </group>
   <node pkg="turtlesim" name="mimic" type="mimic">
     <!--用于将topic的名称进行重映射,from中填入原来的topic名称，to中填入新的topic名称-->
     <remap from="input" to="turtlesim1/turtle1"/>
     <remap from="output" to="turtlesim2/turtle1"/>
   </node>
</launch>

9、Using rosed to edit files in ROS

rosed 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

二、ROS2 Beginner：CLI Tools部分

1、Configuring your ROS 2 environment

配置你的 ROS2 环境

ROS2 安装教程
ROS1 和 ROS2 共存时切换方法

2、Introducing turtlesim and rqt

介绍 turtlesim 和 rqt

• Turtlesim is a lightweight simulator for learning ROS 2
• rqt is a GUI tool for ROS 2

运行 turtlesim

使用 rqt 调用服务

创建新的小乌龟

3、Understanding ROS 2 nodes

• 和ROS1一样，ROS2中的各项资源也是通过计算图联系到一起的。计算图是一个由各种ROS2元素组成的网络，共同完成数据的传输，其中每一个完成具体功能的模块称之为“节点”（Node），节点之间通过话题（Topic）、服务（Service）、动作（Actions）或者参数（Parameter）实现数据的收发
• 在ROS2中，每一个可执行程序（C++、Python）可以包含1个或者多个节点

3.1 ROS2 run

参见上一章的内容

3.2 Rmapping

ros2 run turtlesim turtlesim_node --ros-args --remap __node:=my_turtle

修改节点的名称后会出现仿真节点，仿真节点不会和原来的节点产生冲突，因为新启动的仿真节点叫做“my_turtle”,并不是默认的“turtlesim”

3.3 ROS2 node info

• 了解节点更多的信息

# $ ros2 node info 
$ ros2 node info /my_turtle

4、Understanding ROS 2 topics

一个节点可以通过多个话题向外发布数据，也可以同时订阅多个其他节点发布的话题，相当于话题是一个多对多的订阅/发布模型。话题是节点之间实现数据传输的重要途径，也是机器人各个子系统之间交换数据的重要方式

4.1 Setup & Use rqt_graph

$ ros2 run turtlesim turtlesim_node
$ ros2 run turtlesim turtle_teleop_key
$ rqt_graph

4.2 ROS2 topic list

• 返回最近活跃的节点

$ ros2 topic list

• 返回所有话题的列表，和每个话题传输的数据类型

$ ros2 topic list -t

4.3 ROS2 topic echo

• 返回话题之间传输的数据内容

# $ ros2 topic echo 
$ ros2 topic echo /turtle1/cmd_vel

4.4 ROS2 topic info

• 返回话题的详细信息

$ ros2 topic info /turtle1/cmd_vel

4.5 ROS2 interface show

• 查看 cmd_vel 数据类型的具体数据结构

$ ros2 interface show geometry_msgs/msg/Twist

cmd_vel 就是在 ROS 中常用的标准速度指令，以上内容表示在 geometry_msgs 包的 msg 中有一个数据类型 Twist，Twist 中包含了两个三维向量，分别表示线速度和角速度

4.6 ROS2 topic pub

• 通过命令行发布话题消息，–once 表示只发布一次

# $ ros2 topic pub   ''
$ ros2 topic pub --once /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}}"

• –rate 1 表示以 1 Hz 的频率发布

$ ros2 topic pub --rate 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}}"

• 查看话题发布的频率

$ ros2 topic hz /turtle1/pose

5、Understanding ROS 2 services

topic 通信方式是基于订阅/发布机制的，无论有没有订阅者，发布者都会周期发布数据，这种模式适合持续数据的收发，比如传感器数据。

机器人系统中还有另外一些配置性质的数据，并不需要周期处理，此时就要用到另外一种ROS通信方式——服务（Service）。 服务是基于客户端/服务器模型的通信机制，服务器端只在接收到客户端请求时才会提供反馈数据。

5.1 查看服务列表

$ ros2 service list

5.2 查看服务的数据类型

# $ ros2 service type 
$ ros2 service type /clear

查看所有服务的数据类型

$ ros2 service type list -t

5.3 查找提供某类型数据的所有服务

ROS2 允许查看所有提供同样数据类型的的服务，比如可以查找所有提供std_srvs/srv/Empty数据类型的服务

# $ ros2 service find 
$ ros2 service find std_srvs/srv/Empty

5.4 查看服务数据类型的具体结构

可以通过下面的命令查看数据类型具体的数据结构

# $ ros2 interface show .srv
$ ros2 interface show std_srvs/srv/Empty.srv
$ ros2 interface show turtlesim/srv/Spawn.srv

5.5 通过终端发送服务请求

通过终端可以发送一个服务请求，同样可以生成一个小乌龟

# $ ros2 service call   
$ ros2 service call /clear std_srvs/srv/Empty
$ ros2 service call /spawn turtlesim/srv/Spawn "{x: 2, y: 2, theta: 0.2, name: ''}"

6、Understanding ROS 2 parameters

在 ROS2 中，每个节点都有自己的参数，参数的主要作用是对节点功能的配置，这些参数可以用整型数、浮点数、布尔型数、字符串和列表来描述

6.1 查看系统中的参数列表

$ ros2 param list

6.2 使用参数值

• 获取参数值

# $ ros2 param get  
$ ros2 param get /turtlesim background_g

• 设置参数值

# $ ros2 param set   
$ ros2 param set /turtlesim background_r 150

• 保存参数值

# $ ros2 param dump 
$ ros2 param dump /turtlesim

• 加载参数文件

# $ ros2 run   --ros-args --params-file 
$ ros2 run turtlesim turtlesim_node --ros-args --params-file ./turtlesim.yaml

7、Understanding ROS 2 actions

如果要让机械臂抓取一个物体，我们不仅要发出指令，还需要获取机械臂的实时反馈，如果直接用话题和服务也可以实现，不过一下得上好几个，有点麻烦。

所以针对类似的场景，ROS推出了一个应用级的通信机制——动作（action），主要解决需要运行一段时间的机器人任务。action也并不是一个全新的机制，而是由底层的三个话题和服务组成：任务目标（Goal，服务），执行结果（Result，服务），周期数据反馈（Feedback，话题）。action是可抢占式的，可以随时发送取消指令，动作终止。如果执行过程中发送一个新的action目标，则会直接中断上一个目标开始执行最新的任务目标。总体上来讲，action是一个客户端/服务器的通信模型，客户端发送一个任务目标，服务器端根据收到的目标执行并周期反馈状态，执行完成后反馈一个执行结果。

7.1 了解 action

启动小乌龟后根据第二行信息提示的指令，通过action来控制海龟转动到指定方向的。 按键 G | B | V | C | D | E | R | T 都是围绕 F 的，以 F 为中心，对应方向的按键就表示控制小海龟的转动到的方向，F 用来发送 action 终止命令

• 按下 C 小乌龟开始旋转，action 完成，返回给客户端第一行的内容
• 按下 C 和 E 键后，后一个 action 的执行中断了前一个 action 的执行，返回客户端一个警告信息，体现了 action 的可抢占
• 按下 C 和 F 键后，F 终止了上一个 action，并返回客户端任务取消的信息
  

7.2 查看节点信息

• 查看乌龟仿真器节点的 action

$ ros2 node info /turtlesim

• 查看键盘控制节点的 action

ros2 node info /teleop_turtle

由此可以得知，键盘控制节点作为 action 的客户端发送 action 目标，海龟仿真器作为 action 的服务器端执行 action 并反馈，action 名为 /turtle1/rotate_absolute，并且 action 的数据类型为 /turtlesim/action/RotateAbsolute。
除此之外，还可以通过这样的方法查看 action

$ ros2 action list
$ ros2 action list - t

7.3 查看 action 信息

• 查看 action 的详情，并且可以知道提供该 action 的服务器和客户端的数量

$ ros2 action info /turtle1/rotate_absolute

• 如果想要发送一个 goal，就需要知道 action 的具体的数据结构，由此查看 action 的数据结构

$ ros2 interface show turtlesim/action/RotateAbsolute.action

其中第一段描述客户端发送的请求目标，第二段描述的是action执行完成后的反馈结果，第三段描述的是action执行过程中的周期反馈

• 发布 goal

# $ ros2 action send_goal   
# $ ros2 action send_goal /turtle1/rotate_absolute turtlesim/action/RotateAbsolute "{theta: 1.57}"
# 想要看到周期性反馈，需要添加 --feedback
$ ros2 action send_goal /turtle1/rotate_absolute turtlesim/action/RotateAbsolute "{theta: -1.57}" --feedback

在 action 执行完成前，终端中会不断周期刷新类似反馈信息，而且是可以抢占或终止的。

8、Using rqt_console

在终端中运行ROS2节点时，节点的日志信息会在终端中显示出来，rqt_console 是专门用于管理日志信息的可视化工具。打开 rqt_console，将小乌龟运行到边界时，终端和 rqt_console 会显示错误信息。

$ ros2 run rqt_console rqt_console

也可以修改允许发布的日志级别，如果只想显示 Warn 级别以上的日志，Info 和 Debug 级别的日志都是看不到的，这样就可以快速找到想要看到的日志，提高调试、测试、开发的效率

ros2 run turtlesim turtlesim_node --ros-args --log-level WARN

9、Creating a launch file

ROS2 也专门设计了launch启动文件，可以一起启动多个节点并允许在文件中对节点进行配置

Node(
    package='turtlesim',
    namespace='turtlesim1',
    executable='turtlesim_node',
    name='sim'
),
Node(
    package='turtlesim',
    namespace='turtlesim2',
    executable='turtlesim_node',
    name='sim'
),

这里是启动了两个海龟仿真器，通过命名空间区分开，不然会有同名节点的问题。

Node(
    package='turtlesim',
    executable='mimic',
    name='mimic',
    remappings=[
      ('/input/pose', '/turtlesim1/turtle1/pose'),
      ('/output/cmd_vel', '/turtlesim2/turtle1/cmd_vel'),
    ]
)

最后一个节点启动的是 turtlesim 功能包中的 mimic 节点，其中主要是在配置 mimc 的 remapping 重映射参数。mimic 的输入话题从 /input/pose 重映射为 /turtlesim1/turtle1/pose，输出话题从 /output/cmd_vel 重映射为 /turtlesim2/turtle1/cmd_vel。mimic 节点通过订阅 turtle1 的位置，转换成对 turtle2 的速度指令发布出去，最后可以达到让 turtle2 模仿 turtle1 完成同样的运动

10、Recording and playing back data

• 录制话题数据

# $ ros2 bag record 
$ ros2 bag record /turtle1/cmd_vel

• 录制多个话题

$ ros2 bag record -o subset /turtle1/cmd_vel /turtle1/pose

• 显示录制文件信息

# $ ros2 bag info 
$ ros2 bag info subset

• 回放数据

$ ros2 bag play subset