ROS基础教程

1. 简介

ROS 全称为 Robot Operating System (机器人操作系统)

• ROS 是适用于机器人的开源元操作系统
• ROS 集成了大量的工具，库，协议，提供类似 OS 所提供的功能，简化对机器人的控制
• ROS 还提供了用于在多台计算机上获取，构建，编写和运行代码的工具和库，ROS 在某些方面类似于“机器人框架”
• ROS 设计者将 ROS 表述为 “ROS = Plumbing + Tools + Capabilities + Ecosystem”，即 ROS 是通讯机制、工具软件包、机器人高层技能以及机器人生态系统的集合体

1.1. 系统架构

ROS 的系统架构可分为三层

1. OS 层，也即经典意义的操作系统。ROS 只是元操作系统，需要依托真正意义的操作系统，目前兼容性最好的是 Linux 的 Ubuntu，Mac、Windows 也支持 ROS 的较新版本
2. 中间层。是 ROS 封装的关于机器人开发的中间件，比如:
   • 基于 TCP/UDP 继续封装的 TCPROS/UDPROS 通信系统
   • 用于进程间通信 Nodelet，为数据的实时性传输提供支持
   • 大量的机器人开发实现库，如：数据类型定义、坐标变换、运动控制…
3. 应用层。功能包，以及功能包内的节点，比如: master、turtlesim的控制与运动节点。

1.2. 文件系统

WorkSpace --- 自定义的工作空间
    |--- build:编译空间，用于存放CMake和catkin的缓存信息、配置信息和其他中间文件。
    |--- devel:开发空间，用于存放编译后生成的目标文件，包括头文件、动态&静态链接库、可执行文件等。
    |--- src: 源码
        |-- CMakeLists.txt: 编译的基本配置
        |-- package：功能包(ROS 基本单元)包含多个节点、库与配置文件，包名所有字母小写，只能由字母、数字与下划线组成
            |-- CMakeLists.txt 配置编译规则，比如源文件、依赖项、目标文件
            |-- package.xml 包信息，比如:包名、版本、作者、依赖项...(以前版本是 manifest.xml)
            |-- scripts 存储 python 文件
            |-- src 存储 C++ 源文件
            |-- include 头文件
            |-- msg 消息通信格式文件
            |-- srv 服务通信格式文件
            |-- action 动作格式文件
            |-- launch 可一次性运行多个节点 
            |-- config 配置信息
        |-- package

ROS 的文件系统本质上都还是操作系统文件，因此可以使用 Linux 命令来操作这些文件。不过，在 ROS 中为了更好的用户体验，ROS 专门提供了一些类似于 Linux 的命令，这些命令较之于 Linux 原生命令，更为简洁、高效。

1. 增

# 创建新的ROS功能包
catkin_create_pkg 自定义包名 依赖包

# 安装 ROS 功能包
sudo apt install xxx

2. 删

# 删除某个功能包
sudo apt purge xxx

3. 查

# 列出所有功能包
rospack list

# 查找某个功能包是否存在，如果存在返回安装路径
rospack find 包名

# 进入某个功能包
roscd 包名

# 列出某个包下的文件
rosls 包名

# 搜索某个功能包
apt search xxx

4. 改

# 修改功能包文件（需要安装 vim）
rosed 包名 文件名

5. 执行

# 必须运行 roscore 才能使 ROS 节点进行通信，他是 ROS 的系统先决条件节点和程序的集合。运行 roscore 会运行 ros master、ros 参数服务器、rosout 日志节点
roscore 

# 或(指定端口号)
roscore -p xxxx

# 运行指定的ROS节点
rosrun 包名 可执行文件名

# 执行某个包下的 launch 文件
roslaunch 包名 launch文件名

1.3. 计算图

ROS 文件结构是磁盘上 ROS 程序的存储结构，是静态的，而 ros 程序运行之后，不同的节点之间是错综复杂的，ROS 中提供了一个实用的工具：rqt_graph

rqt_graph 能够创建一个显示当前系统运行情况的动态图形。ROS 分布式系统中不同进程需要进行数据交互，计算图可以以点对点的网络形式表现数据交互过程。rqt_graph 是 rqt 程序包中的一部分

运行 rat_graph 可通过下面命令执行：

rosrun rqt_graph rqt_graph
# 或者直接输入
rqt_graph

1.4. Source

• 下面命令是使得能够在任意终端都能使用 ROS

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

• 下面命令是使得能够在任意终端都能使用当前工作空间

echo "source ~/工作空间/devel/setup.bash" >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc

1.5. helloworld

ROS 可是使用 C++ 或者 Python，但是具体选择哪种语言需要视需求而定：C++ 运行效率高但是编码效率低，而 Python 则反之。基于二者互补的特点，ROS 设计者分别设计了 roscpp 与 rospy 库，前者旨在成为 ROS 的高性能库，而后者则一般用于对性能无要求的场景，旨在提高开发效率

1.5.1. C++ 实现

1. 进入 ros 包的 src 目录编辑源文件

#include "ros/ros.h"

int main(int argc, char *argv[]) {
    //执行 ros 节点初始化，输入所有参数并对节点命名。注意，节点名称是一个标识符，需要保证在 ROS 网络拓扑中唯一
    ros::init(argc,argv,"hello");
    //创建 ros 节点句柄。注意，因为一个进程上运行一个节点，所以句柄是自动绑定到当前的进程，即节点上的
    ros::NodeHandle n;
    //控制台输出 hello world
    ROS_INFO("hello world!");
    return 0;
}

2. 编辑 ros 包下的 Cmakelist.txt 文件

add_executable(可执行文件名
  src/步骤3的源文件名.cpp
)
target_link_libraries(可执行文件名
  ${catkin_LIBRARIES}
)

3. 返回顶层工作空间目录并编译（生成 build 和 devel）：catkin_make

4. 执行

   1. 在一个终端输入命令启动 ROS 核心：roscore
   2. 再在另一个终端输入命令刷新环境变量并运行节点：

source ./devel/setup.bash
rosrun 包名 可执行文件名

命令行输出: HelloWorld!

1.5.2. Python 实现

1. 进入 ros 包的 scripts 目录编辑 python 文件（C++是进入同级的 src 目录）

#! /usr/bin/env python

import rospy

if __name__ == "__main__":
    rospy.init_node("Hello")
    rospy.loginfo("HelloWorld!")

2. 为 python 文件添加可执行权限

chmod +x 文件名.py

3. 编辑 ros 包下的 CamkeList.txt 文件

catkin_install_python(PROGRAMS 
  scripts/文件名.py
  DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_BIN_DESTINATION}
)

4. 返回顶层工作空间目录并编译：catkin_make

5. 执行

   1. 在一个终端输入命令启动 ROS 核心：roscore
   2. 再在另一个终端输入命令刷新环境变量并运行节点：

source ./devel/setup.bash
rosrun 包名 文件名.py

输出结果：HelloWorld!

另外，因为 Python 文件运行不需要编译，所以在编写完脚本后，可以直接运行节点

rosrun 包名 文件名.py

或者直接运行 Python 文件

python 文件名.py

2. 通信

机器人是一种高度复杂的系统性实现，在机器人上可能集成各种传感器(雷达、摄像头、GPS…)以及运动控制实现，为了解耦合，在 ROS 中每一个功能点都是一个单独的进程，每一个进程都是独立运行的。更确切的讲，ROS 是进程（也称为 Nodes）的分布式框架。 因为这些进程甚至还可分布于不同主机，不同主机协同工作，从而分散计算压力。而为了实现不同进程之间的通信，ROS 提供了三种方式：

1. 话题通信(发布订阅模式)
2. 服务通信(请求响应模式)
3. 参数服务器(参数共享模式)

2.1. 话题通信

2.1.1. 简介

• ROS 中使用最多的通信方式
• ROS 中的异步通信方式
• 通过 TCP/IP 通信
• Node 之间通过 publish-subscribe 机制通信
• 能够进行多对多通信
• 常用于连续、高频的数据发布：激光雷达、里程计发布数据
• Message：
  • topic 内容的数据格式
  • 定义在 .msg 文件中
  • 可以看作是一个结构体或者类

2.1.2. 理论模型

话题通信理论模型中涉及到三个角色。其中，ROS Master 负责保管 Talker 和 Listener 注册的信息，并匹配话题相同的 Talker 与 Listener，帮助 Talker 与 Listener 建立连接&#x