ROS操作系统

一、初识ROS

1. 什么是ROS操作系统，它跟linux有什么关系？

ROS全称叫机器人操作系统（Robot Operating System, ROS），虽然它叫操作系统，但实际上和我们认识的linux、mac、windows不一样，它是基于ubuntu(linux)上运行的一套框架，我们编写的ROS程序都基于这套框架上运行。对于ROS系统，有一个重要的概念叫 “节点”，其实每个节点就是单独的一个程序，比如处理摄像头、雷达、电机等，都可以由不同的开发人员独自写一个程序运行并关联(通信)，他们也都有一个属于自己的二进制文件。因为这套框架可以实现对各个进程的组织、通信、文件系统等功能，所以可以称它为一个操作系统，实际上就是一个运行在linux上的模拟操作系统。

2. ROS的文件系统(ROS架构)

1. 源文件空间src ：所有的包都存放在src文件夹中
2. build ：由catkin_make命令自动生成，用来存储工作空间编译过程中产生的缓存信息和中间文件。
3. devel ：由catkin_make命令自动生成，用来放置编译生成的可执行文件。
4. package ：存放我们的各个功能包，每个功能包都可以对应一些功能，比如一个功能包里是为电机驱动写的，我们可以在一个功能包中写多个电机驱动的代码，最后生成多个节点(多个二进制程序)，当然也可以一个功能包对应一个节点，具体看个人设计实现
5. cmakelists：功能包层面的一般不用动，功能包中的需要我们自己写一下，比如二进制怎么生成，需要什么库等等，cmakelists教程不会的可以搜一下
6. package.xml ：这个文件catkin_make会自动生成，里面存放了功能包清单，可得到该package的名称、版本号、信息描述、作者信息和许可信息等。更重要的， … 标签定义了代码编译所依赖的其它功能包， … 标签定义了可执行程序运行时所依赖的其它功能包。package.xml文件是功能包被ROS系统识别的前提。
7. include ：存放c++编写所需要的头文件
8. msg：存放自定义消息类型，由于ROS各个节点之间存在通信，通信有数据类型，除了ROS自带的数据类型，我们也可以自定义
9. srv ：自定义服务类型
10. scripts：可以直接运行的脚本，如python、shell等
11. launch ：存放快速启动的 .launch文件，为xml格式，有这个文件后就可以通过roslaunch来快速启动一个或多个节点
12. 包中src ：存放实际cpp代码

二、ROS安装

环境搭建以及测试demo可以见链接

1.ROS安装及测试

三、ROS命令以及使用

以下提到的一级目录、二级目录等为ROS文件系统图中的目录位置，例如工作空间为一级目录

1. catkin_create_pkg

功能：创建一个新的功能包
使用方法：catkin_create_pkg [depend1] [depend2] [depend3]
示例：catkin_create_pkg ros_server std_msgs rospy roscpp
备注：示例中创建了一个新包，名为 ros_server，后面跟着的为这个包所需的依赖，可以暂时理解为我们在用c或c++编写多线程代码时，在编译阶段需要加-lpthread一样，这些依赖中包含了我们后续写代码用到的环境。std_msgs 为消息类型，创建节点通信时需要使用到，比如std_msgs::String，代表消息类型为string，剩下两个为c++和python所需要的依赖

2. catkin_make

功能：自动构建并编译代码
使用方法：catin_make
示例：catin_make
备注：注意，这个命令需要在二级目录下使用，使用后会自动去寻找cmakelists文件并根据其中的规则构建

3. roscore

功能：启动ROS主节点
使用方法：roscore
示例：roscore
备注：要启动ROS节点，必须先启动主节点，否则会运行失败

4. rosrun

功能：运行节点
使用方法：rosrun [–prefix cmd] [–debug] pkg_name node_name [ARGS]
示例：rosrun ros_server ros_server_node
备注： [–prefix cmd] [–debug]为可选参数，大多数情况不使用，后续使用到再补充，pkg_name 为包名，也就是catkin_create_pkg创建的包名，node_name为包中的节点名，因为一个包中可能有多个不同节点，所以需要指定具体节点

5. rosnode

功能：查看节点相关信息
使用方法：rosnode
示例：rosnode list、rosnode ping server等

备注：这里用到的节点名称默认为我们程序调用ros:init时的参数名，如果我们指定了运行名，比如在roslaunch中指定了name，那么节点名就是指定的名字，roslaunch下面介绍

6. roslaunch

功能：可以一次启动多个节点，并且可以在启动时指定参数信息
使用方法：roslaunch pkg_name launch_file [ARGS]
示例：roslaunch ros_server ros_server.launch
备注：pkg_name为三级目录创建的功能包名。 launch_file为创建的.launch文件，这个文件一般需要我们手动创建，建议创建在四级目录下的launch下。ARGS为可选参数，下面会举例

首先写一个获取参数并打印的ros节点编译后运行

#include "ros/ros.h"

int main(int argc, char *argv[])
{
    //执行 ros 节点初始化
    ros::init(argc,argv,"hello");
    //创建 ros 节点句柄(非必须)
    ros::NodeHandle n;
    //控制台输出 hello world
    printf("%s\n",argv[1]);

    return 0;
}

08:02 下午 ros_t rosrun demo demo_node hello
[ INFO] [1702382616.197735701]: hello

可以看到原样输出了我们的参数hello，现在是使用rosrun手动启动节点,下面介绍launch启动

文件存放位置

由第二节的文件系统图上可以看到，一般来说我们可以在功能包下手动创建一个lanuch的文件夹，可以把我们的.lanuch文件存放在这个目录下

launch文件的内容

launch 文件中使用的是xml格式来表示信息，xml以标签的形式展示数据，以标签开始 标签结尾(或者把与开始的标签合并)，中可以包含多个kv对，类似下面这个结构（…表示kv对的数据信息)，详细xml知识可以自行百度

<launch>
    <node ...></node>
    <param .../>
    <rosparam .../>
    <include .../>
    <remap .../>
    <arg .../>
    <group>  </group>
</launch>

下面详细解释上图各个标签标识的含义，节点中并不要求这些标签都有，最简单的有lanuch与node就行

• lanuch
  为lanuch文件的根节点，无特殊作用

• node
  node标签可以指定一个节点的允许，如果存在多个node标签，则可以实现同时启动多个节点，比手动去一个个rosrun方便许多

<launch>
	<node pkg="package_name" type="executable_node" name="node_name" args="$()" respawn="true" output="sceen">
</launch>
pkg：为功能包名；
type：为可执行文件名；
name：可以指定节点运行名(rosnode可以查看，如果rosrun运行不指定则节点名为代码中init指定的名字)；agrs：为程序运行的参数；
respawn：是否自动重启，true表示如果节点未启动或异常关闭，则自动重启；false则表示不自动重启，默认值为false； 
output：是否将节点信息输出到屏幕，如果不设置该属性，则节点信息会被写入到日志文件，并不会显示到屏幕上。

示例：
1.使用nodo中的args传递参数
 


执行roslaunch  demo demo.launch后发现终端上没有输出hello，是因为roslaunch 启动后把标准输出的内容给重定向到一个.log中了，具体log名请看运行后的提示，如果想在终端打印可以添加--screen选项，roslaunch  --screen demo demo.launch
2. 还可以使用arg或param等方式传递，见下文

• param
  作用是为了给节点传递不同的参数，类似与我们在运行ls -l时，指定的-l参数，param可以在.cpp源文件中使用ros::param::get()来捕获设置的参数，来运行对应的业务逻辑。

<launch>
  <!-- ... 其他配置 ... -->
  
  <node name="my_node" pkg="my_package" type="my_node" >
    <param name="param_name" type="param_type" value="param_value" />
  </node>
</launch>

编写一段测试代码

#include "ros/ros.h"

int main(int argc, char *argv[])
{
    //执行 ros 节点初始化
    ros::init(argc,argv,"hello");
    std::string data;
    //创建 ros 节点句柄(非必须)
    ros::NodeHandle n;
    
    if(ros::param::get("/demo_hello/arg1",data)){
	printf("arg1 is %s\n",data.c_str());
    }else{
    	printf("not find\n");
    }

    
    return 0;
}

launch文件内容为：

<launch>
    <node pkg="demo" type="demo_node" name="demo_hello" args="hello">
        <param name="arg1" value="hello111" type="string"/>
    </node>
</launch>

运行结果为

arg1 is hello111

这里需要注意的是，我们的param name写的是arg1，但是在源文件中，get的参数前带有路径，这个路径代表这个节点的节点名，如果不带上这个路径，则会捕获失败，这个参数也可以在运行roslaunch时看到

04:13 下午 ros_t roslaunch --screen demo demo.launch
... logging to /home/lotus/.ros/log/fba405be-9d7c-11ee-953a-a1a059285c1b/roslaunch-master-2230523.log
Checking log directory for disk usage. This may take a while.
Press Ctrl-C to interrupt
Done checking log file disk usage. Usage is <1GB.

started roslaunch server http://10.167.120.3:34087/

SUMMARY
========

PARAMETERS
 * /demo_hello/arg1: hello111   --------------这里就是我们的参数信息
 * /rosdistro: noetic
 * /rosversion: 1.15.15

NODES
  /
    demo_hello (demo/demo_node)

ROS_MASTER_URI=http://localhost:11311

process[demo_hello-1]: started with pid [2230635]
arg1 is hello111	----------------打印出的消息
[demo_hello-1] process has finished cleanly
log file: /home/lotus/.ros/log/fba405be-9d7c-11ee-953a-a1a059285c1b/demo_hello-1*.log
all processes on machine have died, roslaunch will exit
shutting down processing monitor...
... shutting down processing monitor complete
done

• rosparam
  功能与param类似，区别是rosparam可以使用command指令，如：

表示可以加载file.yaml中的配置，功能上与param的launch文件中添加多个param标签没什么区别，使用rosparam方便多个节点同用一个配置

• include
  与cpp的include预处理功能类似，可以引入其他的launch文件到当前位置，实现复用功能

<include file="$(find package_name)/launch_file_name">

• remap
  作用是重新映射节点中topic的名字

<remap from="/pub_data" to="/talker" /> 
表示把pub_data这个topic名字映射为talker供别人使用
from=“xxx”: 你节点中原来发布的主题名字为xxx
to=“yyy”: 重映射的目标名字为yyy

注意当remap这个标签放在不同的位置，作用域是不同的，具体作用域见：remap作用域说明

• arg
  作用类似与param与rosparam，也是传递给节点参数，但是arg的作用域在这个脚本内，类似与设置脚本中的一个变量，各个节点都可以调用这个变量获取内容，并且支持launch文件的动态传参

<arg name="name"  default="value"(可选) value="arg_value"(可选)/>
default为这个参数的默认值
value为这个参数的设置值
注意，命令行传递的参数可以覆盖default的值,但是不能覆盖value的值
例如launch文件内容是这样的：
<launch>
        <arg name="xxx" value="v"/) 
</launch>
当我们命令行调用roslaunch demo.launch xxx:="vvv"时，xxx还是取的还是value原本的值(v)，会忽略命令行的参数(vvv)，如果是default反之

那么有一个问题，既然arg与param和rosparam都是给节点传递参数，那么他们有什么区别呢？
其实arg参数作用域在这个launch文件中，文件中可以使用这个标签定义的变量，而param与rosparam则会设置进rosmaster，便于各个节点使用

• group

  group标签可以实现将一组配置应用到组内的所有节点，它也具有命名空间ns特点，可以将不同的节点放入不同的 namespace。

<!-- 用法1 -->
<group ns="namespace_1">
    <node pkg="pkg_name1" .../>
    <node pkg="pkg_name2" .../>
    ...
</group>

<group ns="namespace_2">
    <node pkg="pkg_name3" .../>
    <node pkg="pkg_name4" .../>
    ...
</group>


<!-- 用法2 -->
<!-- if = value：value 为 true 则包含内部信息 -->
<group if="$(arg foo1)">
    <node pkg="pkg_name1" .../>
</group>

<!-- unless = value：value 为 false 则包含内部信息 -->
<group unless="$(arg foo2)">
    <node pkg="pkg_name2" .../>
</group>
<!--
    当 foo1 == true 时包含其标签内部
    当 foo2 == false 时包含其标签内部
-->

7. rostopic

• rostopic list
  列出所有的topic(没有消息传递的topic可能不会展示)

• rostopic info
  通过此命令，您可以获取特定话题的详细信息，包括消息类型、发布者和订阅者等。

• rostopic echo
  可以实时展示话题消息内容

• rostopic pub
  发布消息到对应的topic上
  例如：rostopic pub /chatter std_msgs/String “hello”

• rostopic pub -r
  以指定速率持续发送消息到对应topic上

• rostopic type
  查看话题消息类型

• rostopic hz
  查看话题的频率