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🤖ROS 理论与实践
ROS 官网教程01-基础概念和操作
Words 4919Read Time≈ 13 min
2024-9-9
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一、安装和配置ROS环境1.1 安装 ROS1.2 管理环境1.3 创建 ROS 空间二、ROS文件系统导览2.1 文件系统概念2.2 文件系统工具三、创建ROS软件包3.1 创建 catkin 软件包3.2 查看软件包依赖关系3.3 catkin 软件包组成四、构建ROS软件包4.1 catkin_make 构建软件包4.2 开始构建你的软件包五、理解 ROS 节点5.1 使用 roscore 和 rosnode5.2 使用 rosrun 调出另一个节点六、理解 ROS 话题和消息6.1 引例 - 通过键盘控制乌龟移动6.2 话题和话题消息类型6.3 发布话题消息和频率6.4 显示话题数据（数字和图形）七、理解 ROS 服务和参数7.1 调用服务（输入服务参数）7.2 参数（设置、获取、保存和加载）八、使用 roslaunch九、创建ROS消息和服务9.1 创建 msg9.2 使用 rosmsg9.3 创建 srv9.4 使用 rossrv10.5 msg 和 srv 的一般步骤参考资料

一、安装和配置ROS环境

1.1 安装 ROS

ROS安装选择介绍了不同ROS安装版本
序号
名称
发布时间
支持时间
操作系统支持
1
ROS Melodic Morenia
发布于2018年5月
LTS长期支持到2023年5月
建议在Ubuntu 18.04上安装
2
ROS Noetic Ninjemys
发布于2020年5月
最新的LTS长期支持到2025年5月
建议在Ubuntu 20.04上安装
可以通过如下命令查看系统版本，当前版本为 20.04，根据建议，安装了 ROS Noetic
Ubuntu 不同版本代号
  • Ubuntu 12.04 (LTS)代号为precise。
  • Ubuntu 14.04 (LTS)代号为trusty。
  • Ubuntu 15.04 代号为vivid。
  • Ubuntu 15.10 代号为wily。狡猾的
  • Ubuntu 16.04 (LTS)代号为xenial。好客的
  • Ubuntu 18.04 代号bionic 仿生的
  • Ubuntu 20.04 代号focal
ROS安装方法参考在 Ubuntu 上安装 ROS Noetic。

1.2 管理环境

  • 环境变量管理用途
      • ROS依赖于使用shell环境组合空间的概念，这使得针对不同版本的ROS或不同的软件包集开发变得更加容易。
  • 环境变量设置文件来源
      1. 用软件包管理器安装的ROS软件包已经提供了setup.*sh文件
      1. 在rosbuild workspaces中使用类似rosws的工具生成(rosbuild工具不再维护不推荐)
      1. 编译或安装catkin软件包时自动生成（catkin现在是组织代码的推荐方式，它使用更标准的CMake约定，并具有更大的灵活性）
  • 设置环境变量
      • 通过Ubuntu上的apt工具来安装ROS的，那么你将会在/opt/ros//目录中看到setup.*sh文件，以执行下面的source命令：
      在每次打开终端时你都需要先运行上面这条后才能访问ROS相关的命令，为了避免这一繁琐过程，你可以事先在.bashrc文件中添加这条命令。
  • 测试是否正确配置了环境

    1.3 创建 ROS 空间

    • Catkin适用性
      • 操作方法只适用于ROS Groovy及更新版本
      • 对于ROS Fuerte及早期版本，请选择rosbuild。
    • 创建和构建一个 catkin 工作空间创建完，catkin_ws 目录结构如下（build子文件夹有删减）
      • src目录下创建一个CMakeLists.txt的链接。
      • source devel/setup.bash可将当前工作空间设置在环境最顶层
      • 要保证工作区被安装脚本正确覆盖，需确定ROS_PACKAGE_PATH环境变量包含你当前的工作空间目录：
    至此，环境已搭建好。

    二、ROS文件系统导览

    2.1 文件系统概念

    • 软件包（Packages）：包是ROS代码的软件组织单元，每个软件包都可以包含程序库、可执行文件、脚本或其他构件。
    • Manifests (package.xml)： 清单（Manifest）是对软件包的描述。它用于定义软件包之间的依赖关系，并记录有关软件包的元信息，如版本、维护者、许可证等。

    2.2 文件系统工具

    程序代码散落在许多ROS包中。使用Linux内置命令行工具（如ls和cd）来进行查找和导航可能非常繁琐，因此ROS提供了专门的命令工具来简化这些操作1。
    • rospack = ros + pack(age) - rospack允许你获取软件包的有关信息。
      • 查找是否存在该报，存在返回地址 rospack find roscpp
    • roscd = ros + cd - 允许你直接切换目录（cd）到某个软件包或者软件包集当中
      • 切换到软件包 roscd roscpp
      • roscd只能切换到那些路径已经包含在ROS_PACKAGE_PATH环境变量中的软件包
      • 切换到软件包子目录roscd roscpp/cmake
      • 存储ROS日志文件的目录 roscd log，但若未执行任何 ROS 程序，系统会报错该目录不存在
    • rosls = ros + ls - 直接按软件包的名称执行 ls 命令（而不必输入绝对路径）
      • 查看roscpp_tutorials组成 rosls roscpp_tutorials

    三、创建ROS软件包

    3.1 创建 catkin 软件包

    3.2 查看软件包依赖关系

    beginner_tutorials 的一级依赖运行为catkin_create_pkg命令时作为参数的依赖包，同样可以在 package.xml 文件中查看

    3.3 catkin 软件包组成

    • 这个包必须有一个符合catkin规范的package.xml文件
    • 这个包必须有一个catkin版本的CMakeLists.txt文件
    • 每个包必须有自己的目录
    最简单的软件包看起来就像这样：
    package.xml的组成部分
    • 描述标签
    • 维护者标签
    • 许可证标签
    • 依赖项标签
    notion image
    最终 package.xml

    四、构建ROS软件包

    4.1 catkin_make 构建软件包

    CMake工作流程
    工作空间有多个软件包时，则需要每个 package 都需使用 cmake 编译
    而多个 catkin 项目放在工作空间，可以通过 catkin_make 一起构建
    若catkin项目没有放在工作空间的 catkin/src 目录下，比如 my_src 下，可以这样使用 catkin_make：
    对于catkin_make的高级用法，请参考catkin/commands/catkin_make。

    4.2 开始构建你的软件包

    五、理解 ROS 节点

    节点：ROS软件包中的一个可执行文件。节点组成通过话题、服务和动作与其他节点之间沟通2。
    注：节点是ROS中非常重要的一个概念，为了帮助初学者理解这个概念，这里举一个通俗的例子：
    例如，咱们有一个机器人，和一个遥控器，那么这个机器人和遥控器开始工作后，就是两个节点。遥控器起到了下达指 令的作用；机器人负责监听遥控器下达的指令，完成相应动作。从这里我们可以看出，节点是一个能执行特定工作任 务的工作单元，并且能够相互通信，从而实现一个机器人系统整体的功能。在这里我们把遥控器和机器人简单定义为两个节点，实际上在机器人中根据控制器、传感器、执行机构等不同组成模块，还可以将其进一步细分为更多的节点，这个是根据用户编写的程序来定义的。）
    notion image
    Understanding nodes — ROS 2 Documentation: Foxy documentation
    :beetle:注意： 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。

    5.1 使用 roscore 和 rosnode

    1. roscore 运行所有 ROS 程序前首先要运行的命令
    1. 打开一个新终端，查看正在运行的节点 rosnode list
    1. 查看节点信息 rosnode info /rosout

    5.2 使用 rosrun 调出另一个节点

    在 ubuntu 中，可以使用 Ctrl+Shift+Ｃ可以关掉节点。

    六、理解 ROS 话题和消息

    6.1 引例 - 通过键盘控制乌龟移动

    1. 运行 roscore，若上一节未退出，则即可，重复输入启动命令，会报错
    1. 打开 turtlesim 包下的 turtlesim_node 节点，rosrun turtlesim turtlesim_node
    1. 通过键盘控制 turtle，rosrun turtlesim turtle_teleop_key, 按键盘上方向键，可以控制乌龟移动
    :warning: 注意：请选中turtle_teleop_key的终端窗口（是中断窗口而非图形界面窗口）以确保按键输入能够被捕获。
    1. rosrun rqt_graph rqt_graph ，使用rqt_graph来显示当前运行的节点和话题。
    notion image
    以上，建立了两个节点，而turtlesim_node节点和turtle_teleop_key节点之间是通过一个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。

    6.2 话题和话题消息类型

    命令
    使用

    6.3 发布话题消息和频率

    命令
    使用

    6.4 显示话题数据（数字和图形）

    关于话题上发布的数据，可以通过下面两种方式查看：
    经过 6-1 到 6-3 到此步骤后，更新 6-1 第四步骤画出的节点图，如下：
    notion image
    显示 /turtle1/pose/y 和 /turtle1/pose/x
    ROS/Tutorials/UnderstandingTopics/rqt_plot.png
    ROS/Tutorials/UnderstandingTopics/rqt_plot.png
    显示 /turtle1/pose/theta
    ROS/Tutorials/UnderstandingTopics/rqt_plot2.png
    ROS/Tutorials/UnderstandingTopics/rqt_plot2.png

    七、理解 ROS 服务和参数

    7.1 调用服务（输入服务参数）

    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）。
    list命令显示turtlesim节点提供了9个服务：reset, clear, spawn, kill, turtle1/set_pen, /turtle1/teleport_absolute, /turtle1/teleport_relative, turtlesim/get_loggers, turtlesim/set_logger_level。同时还有两个与rosout节点有关的服务：/rosout/get_loggers和/rosout/set_logger_level。
    示例： /clear 服务
    示例： /spawn 服务

    7.2 参数（设置、获取、保存和加载）

    设置和获得参数
    现在我们修改背景颜色的红色通道值：
    上述指令修改了参数的值，现在我们==需要调用clear服务使得参数的修改能生效==：
    保存和加载参数
    在这里，我们将所有的参数写入params.yaml文件：
    你甚至可以将yaml文件重载入新的命名空间，例如copy_turtle：

    八、使用 roslaunch

    1. 切换工作目录，并创建 launch 文件夹
        2. ⚠️注意：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”。
    1. 创建 turtlemimic.launch 文件
        • 行 3 - 行 9：创建两个分组，以 namespace标签区分，其中一个名为turtulesim1，另一个名为turtlesim2，两个分组中都有相同的名为sim的turtlesim节点。这样可以让我们同时启动两个turtlesim模拟器，而不会产生命名冲突。
        • 行 11 - 行 14：在这里我们启动模仿节点，话题的输入和输出分别重命名为turtlesim1和turtlesim2，这样就可以让turtlesim2模仿turtlesim1了。
    1. roslaunch 启动
        2. notion image
    1. 节点图查看Launch 操作
        2. notion image

    九、创建ROS消息和服务

    9.1 创建 msg

    为了确保msg文件能被转换为C++、Python和其他语言的源代码，还需要如下操作：
    1. 打开 package.xml，添加如下两行
      1. 打开 CMakeLists.txt 文件中，为已经存在里面的find_package调用添加message_generation依赖项，这样就能生成消息了
        1. 打开 CMakeLists.txt 文件中，作如下修改，确保导出消息的运行时依赖关系

          9.2 使用 rosmsg

          创建消息后，可以通过 rosmsg show 命令看看 ROS 能否识别它
          • beginner_tutorials -- 定义消息的软件包
          • Num -- 消息的名称 Num
          如果不记得msg在哪个包中，也可以省略包名称。尝试：
          你会看到：

          9.3 创建 srv

          从另一个包复制现有的srv定义，而不是手动创建新的srv。
          为了确保msg文件能被转换为C++、Python和其他语言的源代码，还需要如下操作：
          1、2 项操作和[创建 msg](#创建 msg)处一致
          添加所需的服务依赖项

          9.4 使用 rossrv

          创建服务后，可以通过 rossrv show 命令看看 ROS 能否识别它
          • beginner_tutorials -- 定义消息的软件包
          • AddTwoInts -- 服务的名称 AddTwoInts
          如果不记得srv在哪个包中，也可以省略包名称。尝试：
          你会看到：

          10.5 msg 和 srv 的一般步骤

          如果没做过上面的教程，请先修改下CMakeLists.txt：
          取消注释，然后添加任意你的消息用到的包含.msg文件的软件包（本例中为std_msgs），如下所示：
          现在我们已经创建了一些新消息，所以需要重新make一下软件包：
          msg目录中的任何.msg文件都将生成所有支持语言的代码。
          • C++消息的头文件将生成在~/catkin_ws/devel/include/beginner_tutorials/。
          • Python脚本将创建在~/catkin_ws/devel/lib/python2.7/dist-packages/beginner_tutorials/msg。
          • Lisp文件则出现在~/catkin_ws/devel/share/common-lisp/ros/beginner_tutorials/msg/。
          类似地，srv目录中的任何.srv文件都将生成支持语言的代码。对于C++，头文件将生成在消息的头文件的同一目录中。对于Python和Lisp，会在msg目录旁边的srv目录中。
          消息格式的完整规范在消息描述语言中。
          如果你正在构建使用新消息的C++节点，则还需要声明节点和消息之间的依赖关系，参见catkin消息和服务构建文档。
           

          参考资料

          1. http://wiki.ros.org/rosbash ↩ 2. [What is a ROS Node? - The Robotics Back-End (roboticsbackend.com)](https://roboticsbackend.com/what-is-a-ros-node/#:~:text=A ROS node%2C according to,%2C services%2C actions%2C etc.) ↩
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          原理篇02-再说Cortex-M处理器对OS支持特性
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