从零学会XR-ROS SLAM自主导航机器人开发之第四章 ROS知识入门

lina

注：本章内容是在ROS系统下进行的，对ROS环境具有依赖，其它环境可能无法顺利执行。

一、创建自己的ros工作空间       

在开发中我们做一些新功能或者测试一些功能，那么可能就会需要创建自己的ros工作空间，下面我们创建一个mywork_ws的ros工作空间。

一个工作空间最基本的组成有：src、build或devel（其中build和devel由编译生成），所以我们只需要创建一个文件夹（文件夹名称既工作空间名称），src是放软件功能包的地方。mywork_ws文件夹在用户文件主目录下创建。

1.1、mywork_ws下创建src

输入：$ mkdir -p ~/mywork_ws/src

1.2、进入mywork_ws文件夹

输入：$ cd ~/mywork_ws

1.3、使用catkin_make编译

即使这个工作空间是空的（即在'src'目录中没有任何软件包），你依然可以编译它，执行完该命令后，查看当前路径，会发现该空间除了 src，又多了 build 和 devel 文件夹。这两个文件夹中是一些配置信息、编译信息等。

输入：$ catkin_make

1.4、当然编译完这个工作空间还只停留在普通文件夹层面，如果我们想让ros系统认可，那么就要把这个文件添加到系统变量里。

输入 vim ~/.bashrc

1.5、如下图，同步添加工作空间信息。添加完并不会立即生效，需要用source ~/.bashrc或者重启终端, 这将确保ROS能够找到所有属于新建立的包的新消息类型和 Python模块。

输入：source ~/mywork_ws/devel/setup.bash

catkin_make命令在catkin 工作空间中是一个非常方便的工具。后边在开发过程中也会经常用到，如修改了src源码，都需要重新编译功能才会更新。

二、编译重建ros工作空间

在前边的内容中我们已经学习过如何构建一个新的工作空间，现在学习怎么重新编译已经存在的工作空间，直接使用catkin_make指令可以直接编译,但是有时候会出现异常，在一些特殊情况下需要完整重新构建ros空间。如这本章内容我们以重新构建mywork_ws为例。

2.1、为了保证构建的完整性，需要重删除build与 devel两个文件。

警告：请不要在rm命令中包括src目录，否则会导致所有 catkin源文件丢失！

输入：$ cd ~/mywork_ws/

输入：$ rm -r build/ devel/

2.2、执行上面的命令之后，你就可以像往常一样重新构建数据包:

按顺序输入以下指令：

l $cd ~/mywork_ws

l $catkin make

l $source devel/setup. bash

2.3、重新构建单独的catkin包。如果你在 catkin工作空间单独更新了一个包，并且想要重新构建它，请按照如下的顺序使用 catkin make变化命令：

按顺序输入以下指令：

l $cd ~/mywork_ws

l $catkin_make  --pkg package_name

l $source devel/setup. bash

三、理解 ROS节点

本节主要介绍 ROS 图（graph）概念，并说明roscore、rosnode和 rosrun 命令行工具的使用。

3.1、在本教程中我们将使用到一个轻量级的模拟器，请按顺序使用以下命令来安装：

l $ sudo apt-get install ros-<distro>-ros-tutorials

l #<distro>用你使用的ROS发行版本名称(例如kinetic、melodic等)替换掉''。

l roscore

3.2、roscore命令：roscore是你在运行所有ROS程序前首先要运行的命令。

输入：$ roscore

然后你会看到类似下面的输出信息：

注意：如果roscore运行后无法正常初始化，很有可能是存在网络配置问题。

解决办法：

(1) 参考第四章节《机器人与电脑之间的联网设置Master配置》；

(2) 如果roscore不能初始化并提示缺少权限，这可能是因为~/.ros文件夹归属于root用户（只有root用户才能访问）。

3.3、使用rosnode

（1）打开一个新的终端, 可以使 rosnode 像运行roscore一样。如果你在rosnode的指令时出现下面问题说明当前无节点运行，这时候你需要启动至少一个节点如：roscore。

[size=9.0000pt]（2）rosnode list指令列出活跃的节点。

输入：$ rosnode list

这表示当前只有一个节点在运行: rosout。rosout这个节点用于收集和记录节点调试输出信息，所以它总是在运行的。

（3）rosnode info命令返回的是关于一个特定节点的信息。

输入：$ rosnode info /rosout

通过下图可以看出，事实上由它发布/rosout_agg

这给了我们更多关于rosout的信息

3.4使用 rosrun

rosrun允许我们使用功能包等名直接运行包内的节点(而不需要知道这个包的路径)。

（1）rosrun用法:

输入：$ rosrun [package_name] [node_name]

（2）接着我们在一个新的终端运行turtlesim包中的 turtlesim_node。

输入$ rosrun turtlesim turtlesim_node

你会看到 turtlesim 窗口（如下图）:

注意: 这里的 turtle 可能和你的 turtlesim 窗口不同，不同ros版本界面有些区别

（3）在一个 新的终端输入以下指令:

输入$ rosnode list

你会看到下图:

关闭 turtlesim 窗口停止运行节点 或者回到rosrun turtlesim终端并使用ctrl+C。

（4）现在让我们重新运行它，但是这一次使用Remapping Argument改变节点名称:

输入：$ rosrun turtlesim turtlesim_node __name:=my_turtle

（5）现在，我们退回使用rosnode list:

输入：$ rosnode list

你会看见下图信息:

注意: 如果你仍看到 /turtlesim在列表中，这可能意味着你在终端中使用ctrl-C停止节点而不是关闭窗口

（6）如果尝试清除rosnode 列表，可以通过下边的指令，然后我们可以看到新的/my_turtle节点。

输入：$ rosnode cleanup

（7）使用另外一个rosnode指令ping来测试:

输入：$ rosnode ping my_turtle

得到下图效果：

四、理解ROS话题

1、roscore

1.1 首先确保roscore已经运行, 打开一个新的终端：

输入：$ roscore

1.2 如果你没有退出在上一篇教程中运行的roscore，那么你可能会看到下面的错误信息：

roscore cannot run as another roscore/master is already running.

Please kill other roscore/master processes before relaunching

这是正常的，因为只需要有一个roscore在运行就够了。

2、turtlesim

在本教程中我们也会使用到turtlesim，请在一个新的终端中运行：

输入：$ rosrun turtlesim turtlesim_node

2.1、通过键盘远程控制turtle

我们也需要通过键盘来控制turtle的运动，请在一个新的终端中运行：

输入：$ rosrun turtlesim turtle_teleop_key

得到如下图页面：

提示：如果不能控制，请选中turtle_teleop_key所在的终端窗口以确保你的按键输入能够被捕获。

2.2 ROS Topics：紧接上章已经启动的turtlesim_node和turtle_teleop_key节点进行操作。

turtlesim_node节点和turtle_teleop_key节点之间是通过一个ROS话题来互相通信的。turtle_teleop_key在一个话题上输入消息并发布，而turtlesim则订阅该话题以接收消息。

3、rqt_graph 工具

3.1 下面让我们使用rqt_graph来显示当前运行的节点和话题。

rqt_graph能够创建一个显示当前系统运行情况的动态图形。是rqt程序包中的一部分。

3.2、在一个新终端中运行:

输入：$ rosrun rqt_graph rqt_graph

会得到类似下图所示的图形：

如果你将鼠标放在/turtle1/command_velocity上方，相应的ROS节点（蓝色和绿色）和话题（红色）就会有颜色显示。

正如你所看到的turtlesim_node和turtle_teleop_key节点正通过一个名为/turtle1/command_velocity的话题来互相通信。

4、rostopic介绍：rostopic命令工具能让你获取有关ROS话题的信息。

4.1、你可以使用帮助选项查看rostopic的子命令：

输入：$ rostopic -h

显示：

接下来我们将使用其中的一些子命令来查看turtlesim。

5、使用 rostopic echo：可以显示某个话题上发布的数据。

5.1、用法：

输入：rostopic echo [topic]

让我们在一个新终端中看一下turtle_teleop_key节点在/turtle1/command_velocit话题（非hydro版）上发布的数据。

输入：$ rostopic echo /turtle1/command_velocity

你可能看不到任何东西，因为现在还没有数据发布到该话题上，接下来我们通过按下方向键使turtle_teleop_key节点发布数据。

注意：如果turtle没有动起来的话就需要你重新选中turtle_teleop_key节点运行时所在的终端窗口。

现在当你按下向上方向键时应该会看到下面的信息：

---

linear: 2.0

angular: 0.0

---

linear: 2.0

angular: 0.0

---

linear: 2.0

angular: 0.0

---

linear: 2.0

angular: 0.0

---

linear: 2.0

angular: 0.0

6、用 rostopic list：能够列出所有当前订阅和发布的话题。

6.1、让我们查看一下list子命令需要的参数，在一个新终端中运行：

输入：$ rostopic list -h

显示：

7、ROS Messages：话题之间的通信是通过在节点之间发送ROS消息实现的。

对于发布器(turtle_teleop_key和订阅器(turtulesim_node)之间的通信，发布器和订阅器之间必须发送和接收相同类型的消息。这意味着话题的类型是由发布在它上面的消息类型决定的。

使用rostopic type命令可以查看发布在某个话题上的消息类型。

8、使用 rostopic type：用来查看所发布话题的消息类型。

用法：

输入：rostopic type [topic]

可以看到：

turtlesim/Velocity

我们可以使用rosmsg命令来查看消息的详细情况（非hydro版)：

输入$ rosmsg show turtlesim/Velocity

显示：

float32 linear

float32 angular

现在我们已经知道了turtlesim节点所期望的消息类型，接下来我们就可以给turtle发布命令了。

9、使用 rostopic pub：可以把数据发布到当前某个正在广播的话题上。

用法：

输入：rostopic pub [topic] [msg_type] [args]

示例（非hydro版）：

$ rostopic pub -1 /turtle1/command_velocity turtlesim/Velocity  -- 2.0  1.8

上面的命令会发送一条消息给turtlesim，告诉它以2.0大小的线速度和1.8大小的角速度开始移动。

9.2、这是一个非常复杂的例子，因此让我们来详细分析一下其中的每一个参数。rostopic pub这条命令将会发布消息到某个给定的话题。

9.3、（-1单个破折号）这个参数选项使rostopic发布一条消息到turtle1/command_velocity后马上退出。

这是消息所发布到的话题名称。

turtlesim/Velocity

这是所发布消息的值。

--2.0  1.8

· 正如之前提到的，在一个turtlesim/Velocity消息里面包含有两个浮点型元素：linear和angular。

· 在本例中2.0是linear的值，1.8是angula的值。

· 这些参数其实是按照YAML语法格式编写的，这在YAML文档中有更多的描述。

9.4、你可能已经注意到turtle已经停止移动了，这是因为turtle需要一个稳定的频率为1Hz的命令流来保持移动状态。我们可以使用rostopic pub -r命令来发布一个稳定的命令流（非hydro版）：

输入：$ rostopic pub /turtle1/command_velocity turtlesim/Velocity -r 1 -- 2.0  -1.8

这条命令以1Hz的频率发布速度命令到速度话题上。

我们也可以看一下rqt_graph中的连接情况，可以看到rostopic发布器节点（红色）正在与rostopic echo节点（绿色）进行通信：

我们也可以在一个新终端中通过rostopic echo命令来查看turtlesim所发布的数据。

10、使用 rostopic hz：这个命令可以用来查看数据发布的频率。

用法：

输入：rostopic hz [topic]

我们看一下turtlesim_node发布/turtle/pose时有多快：

输入：$ rostopic hz /turtle1/pose

你会看到：

subscribed to [/turtle1/pose]

average rate: 59.354

min: 0.005s max: 0.027s std dev: 0.00284s window: 58

average rate: 59.459

min: 0.005s max: 0.027s std dev: 0.00271s window: 118

average rate: 59.539

min: 0.004s max: 0.030s std dev: 0.00339s window: 177

average rate: 59.492

min: 0.004s max: 0.030s std dev: 0.00380s window: 237

average rate: 59.463

min: 0.004s max: 0.030s std dev: 0.00380s window: 290

现在我们可以知道了turtlesim正以大约60Hz的频率发布数据给turtle。

我们也可以结合rostopic type和rosmsg show命令来获取关于某个话题的更深层次的信息（非hydro版）：

输入：$ rostopic type /turtle1/command_velocity | rosmsg show

到此，我们已经完成了通过rostopic来查看话题相关情况的过程，接下来我将使用另一个工具来查看turtlesim发布的数据。

11、使用 rqt_plot：此命令可以实时显示一个发布到某个话题上的数据变化图形。这里我们将使用rqt_plot命令来绘制正在发布到/turtle1/pose话题上的数据变化图形。

注意：如果你使用的是electric或更早期的ROS版本，那么rqt命令是不可用的，请使用rxplot命令来代替。

11.1、首先，在一个新终端中运行rqt_plot命令：

输入：$ rosrun rqt_plot rqt_plot

运行后会弹出一个新窗口，在窗口左上角的一个文本框里面你可以添加需要绘制的话题。

在里面输入/turtle1/pose/x后之前处于禁用状态的加号按钮将会被使能变亮，按一下该按钮，并对/turtle1/pose/y重复相同的过程，现在你会在图形中看到turtle的x-y位置坐标图。

同理减号按钮会显示一组菜单让你隐藏图形中指定的话题。

11.2、现在隐藏掉你刚才添加的话题并添加/turtle1/pose/theta，你会看到如下图所示的图形：

五、rviz可视化工具

简介：rviz是ros的一个可视化工具，用于可视化传感器的数据和状态信息。rviz支持丰富的数据类型，通过加载不同的Dispalys类型来可视化，每一个Dispaly都有一个独特的名字。

运行rviz

1.1、打开一个linux终端

输入：$  gedit ~/.bashrc

1.2、启动roscore

roscore是节点和程序的集合，这些节点和程序是基于ROS的系统的先决条件。您必须运行roscore才能使ROS节点进行通信。使用roscore命令启动它。

输入：$ roscore

如果顺利，会显示以下页面：

1.3、新开终端运行，打开rviz

输入：$ rosrun rviz rviz

rviz的视角操作：
Ｌ: 单击并拖动围绕焦点旋转
Ｍ: 在相机向上和向右向量形成平面，按下中键并拖动焦点
R: 单击拖动鼠标　放大/缩小焦点　　向上拖动放大，向下拖动缩小
滚轮: 放大缩小焦点

常见的display类型

六、机器人与电脑之间的联网设置Master

ROS主从环境配置：ROS的主从环境其实是一种分布式通信方式。这里我们讲述ROS主从环境的配置步骤。

6.1、IP与Hostname

启动机器人后，机器人会启动随身WIFI，在PC上链接机器人WIFI。

首先，使用下面的命令，分别在xrrobot与您PC上执行，获取xrrobot主机和您PC的IP地址：

输入：$ ifconfig

xrrobot机器人主机的默认IP已在出厂时设定为192.168.1.1，接入无线网后ip由路由器分配，也可进路由后台查看。

比如这里我们看到路由器为机器人分配的IP是192.168.5.242

6.2、根据路由器提供的IP我们需要设置路由器的master IP，设置方法如下：将ROS_MASTER_URI换成机器人实际的IP，然后保存,保存后重启终端生效

输入：$ gedit  ~/.bashrc

七、发布一个hello world话题

7.1在 ~/ mywork _ws/src/my_ros_helloworld 工作空间的软件包目录下 创建 scripts文件夹（用于存储可执行文件，即python文件）

7.2在 ~/ mywork_ws/src/my_ros_helloworld/script中创建 hello_pub.py  python脚本。下面是程序书写步骤

第一步：初始化节点，给节点起一个名字，用来告诉节点管理器：我来了，并创建节点句柄。这基本是所有话题通讯会做的事，这个节点名字可以随便取，但最好比较有明显的含义。

输入：pub = rospy.Publisher('chatter', String, queue_size=10)

第二步：创建一个发布者。这里发布者的名字可以随便取，好记有意思的名字即可，这里包括了消息类型和话题名。，那我们怎么确定消息类型和话题名字呢？下面这句话是固定操作，记住它：Publisher（大写）与后面的advertise，这都是发布消息的基本语句内容。

例：rospy .Publisher （"话题名字"，类型,队列长度）；

第三步：设置循环的频率，括号中是多少，就是每秒多少次

例：rate = rospy.Rate(10)

第四步：进入while()循环创建消息实例，发布消息即可。后面加上循环等待，这里的程序要根据消息的数据类型来写，这里不做介绍，在下面的代码中会有体现。

rate.sleep()

# # coding=utf-8

#!/usr/bin/env python

import rospy

from std_msgs.msg import String、

def talker():

pub = rospy.Publisher('chatter', String, queue_size=10)

# 当订阅者接收的不如发布的快，最多有10个最新的消息预留在缓存区中

rospy.init_node('hello', anonymous=True)

# anonymous=True表示当有节点名称重复时，可以在后边自动加数字区分

rate = rospy.Rate(10)

# 10hz 与rate.sleep()配合使用，表示以10hz的频率发布消息

while not rospy.is_shutdown():

#循环：检查rospy没有被关闭则执行

hello_str = "hello world %s" % rospy.get_time()

rospy.loginfo(hello_str)

#三个任务:消息被打印到屏幕;它被写入Node的日志文件;被写入rosout(可以使用rqt_console来提取消息)

pub.publish(hello_str)     #发布

rate.sleep()

if __name__ == '__main__':

try:

talker()

except rospy.ROSInterruptException:

pass

修改 hello_pub.py 为可执行文件(用python hello_pub.py 命令单独运行，可不需要设置，用 rosrun my_ros_helloworld hello_pub.py命令运行则需要，否则会报错找不到可执行文件节点)。

chmod +x talker.py

八、订阅hello world话题

在~/ mywork_ws/src/my_ros_helloworld/script中创建 hello_sub.py python脚本

# coding=utf-8

#!/usr/bin/env python

import rospy

from std_msgs.msg import String

def callback(data):

rospy.loginfo(rospy.get_caller_id() + 'I heard %s', data.data)

def listener():

rospy.init_node('listener', anonymous=True)

# anonymous=True真正的标志意味着rospy是唯一的

rospy.Subscriber('chatter', String, callback)  # 订阅话题

rospy.spin()

# spin()简单地保持python不退出，直到该节点停止

if __name__ == '__main__':

listener()

rosrun my_ros_helloworld hello_sub.py 或者进入scripts目录运行 python hello_sub.py

运行结果：

九、学习ROS官方教程

对于初学者ROS WIKI无疑是最好的入门教程：http://wiki.ros.org/cn

十、如何寻找第三方ros数据包

1.1、有些时候关于ROS最难了解的就是其他开发者提供了什么。举个例子，假如你对在 Arduino机器人上运行ROS感兴趣，并且想知道是否有其他人已经创建了一个ROS包来完成这项工作，有下面4种搜索的方法你可以使用。

1.2、搜索 ROS Wiki

ROS Wiki包含一个ROS包和堆的可搜索索引。如果开发者创建了某个ROS软件并希望和其他人共享，他们往往会向 ros-users邮件列表发布公告和存储库的链接。如果他们同时在ROs Wiki上创建了文档，那么在发布公告不久之后该数据包就会出现在索引搜索中。

最终的结果，你往往仅仅通过在 ROS Wiki上进行关键词搜索就能找到想要的东西。回到上面的 Anduin机器人的例子，如果我们在搜索框中输入“ Arduino”（请去除引号），那么会得到指向两个数据包的链接：rosserial arduino和ros_arduino_bridge。

1.3、使用 relocate命令

如果你清楚想要寻找的包的准确名称，并且希望找到该包的URL地址，那么可以使用 rosIe cate命令（该命令只有在你按照之前的描述安装了 reinstall之后才可用）。例如，为了找到ROs Groovy中 ros_ arduino_bridge包的地址，运行下面的命令

输入：$ roslocate uri ros_arduino_bridge

这条命令应该产生如下的结果：

Not found via rosdistro falling back to information provided by rosdoc https://github.comhbrobotics/ros_arduino_bridge.git

这表示我们可以使用git命令安装该包到我们的个人

$ cd ~/catkin_ws/src

$ git clone git:// github.comhbrobotics/ros_arduino_bridge.git

$ cd ~/catkin_ws

$ catkin_make

$ source devel/setup.bash

1.4、浏览ROS软件索引点击

ROS Wiki每个页面上端的横幅中的 Browse software，可以浏览Wiki上完整的ROS包堆和存储库列表。

1.5、使用 Google搜索

如果其他的方法都失败了，你还可以尝试常规的 Google搜索。例如，搜索“ ROS face nition package2”就会得到一个指向面部识别数据包的链接。

十一、获取更多关于ros的帮助

1.获取更多关于ROS的帮助有几种获取额外帮助的来源。可能的最好出发点就是 ROS Wiki的主页。如前面部分描述的，请一定要利用页面右上角的搜索框。

如果你在Wiki上无法找到需要的帮助，可以尝试ROS问答论坛。问答站点是一个获取帮助的好地方。你可以浏览问题列表，搜索关键词，查看基于标签分类的不同话题，甚至可以在一个话题更新时收到E-mail通知。但是，请一定在发布新问题之前先搜索已有的问题列表避免重复提问。

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论坛提问：  http://www.wifi-robots.com/

商务合作：service@xiaorgeek.com