课程1.ROS介绍及基于ROS的底盘软件架构

ROS是什么

官方定义：ROS(Robot Operating System)是面向机器人的开源的元操作系统(meta-operating system)。它能够提供类似传统操作系统的诸多功能,如硬件抽象、底层设备控制、常用功能实现、进程间消息传递和程序包管理等。此外,它还提供相关工具和库,用于获取、编译、编辑代码以及在多个计算机之间运行程序完成分布式计算。

ROS = 管道+工具+能力+生态

ROS版本介绍

ROS版本	electric	fuerte	groovy	hydro	indigo	jade	kinetic	luna	melodic
Ubuntu版本	10.04-11.10	10.04 11.10 12.04	11.10 12.04 12.10	12.04 12.10 13.04	13.10 14.04	14.04 14.10 15.04	15.10 16.04	16.04 16.10 17.04	17.10 18.04

ROS安装方法

官方教程具有十分详细的介绍。

步骤1 添加Ubuntu源地址：

sudo sh -c 'echo "deb http://packages.ros.org/ros/ubuntu $(lsb_release -sc) main" > /etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list'

步骤2 设置安全公钥：

sudo apt-key adv --keyserver hkp://ha.pool.sks-keyservers.net:80 --recv-key 421C365BD9FF1F717815A3895523BAEEB01FA116

步骤3 更新源：

sudo apt update

步骤4 安装：

sudo apt install ros-kinetic-desktop-full

或安装其它包：sudo apt install ros-kinetic-ros-base, sudo apt install ros-kinetic-navigation, sudo apt install gmapping

步骤5 安装完后，导出环境变量：

source /opt/ros/kinetic/setup.bash

如果不想每次打开终端都导出环境变量，可将其添加到.bashrc文件中：

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

ROS通信机制

ROS整个通信机制的核心就是：发布订阅机制。例如下图：名为Talker的节点向/chatter主题发送字符串"hello"，另一个名为Listener的节点订阅/chatter主题，接收主题的字符串。

注意：每个主题跟消息类型是绑定的。比如，如果一个主题是接收string类型消息的，则不能接收int数据类型消息。

下面是一个更具体的例子，即底盘导航模块所用到的节点及主题。

ROS包、节点的创建

ROS中工作区、包、节点的概念类比：

ROS	Visual Studio
工作区(workspace)	解决方案(solution)
包(package)	工程(project)
节点(node)	可执行文件(executable)

创建工作区

工作区即一个目录，用mkdir命令创建即可：

$ cd ~
$ mkdir catkin_ws

在工作区目录下，创建名为src的文件夹：

$ cd ~/catkin_ws
$ mkdir src

此时的目录结构：

~
|--catkin_ws
    |--src

创建ROS包

$ cd ~/catkin_ws/src
$ catkin_create_pkg trd_driver

此时的目录结构：

~
|--catkin_ws
    |--src
        |--trd_driver
            |--CMakeLists.txt
            |--package.xml

添加节点(C++源代码)

$ cd ~/catkin_ws/src/trd_driver
$ mkdir src
$ cd src
$ vim hello_world_node.cpp

编辑hello_world_node.cpp内容

#include "ros/ros.h"
int main() {
    ROS_INFO("hello world!");
    return 0;
}

修改~/catkin_ws/src/trd_driver/CMakeLists.txt内容：

cmake_minimum_required(VERSION 2.8.3)
project(trd_driver)

find_package(catkin REQUIRED
    roscpp
)
catkin_package(CATKIN_DEPENDS 
)

include_directories(
  include
  ${catkin_INCLUDE_DIRS}
)

# hello_world_node
add_executable(hello_world_node
  src/hello_world_node.cpp
)
target_link_libraries(hello_world_node
  ${catkin_LIBRARIES})

此时的目录结构：

~
|--catkin_ws
    |--src
        |--trd_driver
            |--CMakeLists.txt
            |--package.xml
            |--src
                |--hello_world_node.cpp

编译运行节点

编译：

$ cd ~/catkin_ws
$ catkin_make

~
|--catkin_ws
    |--lib #编译结果目录
    |--devel #编译结果目录
    |--src
        |--trd_driver
            |--CMakeLists.txt
            |--package.xml
            |--src
                |--hello_world_node.cpp

• 运行(方式一)：

$ cd ~/catkin_ws
$ ./devel/lib/trd_driver/hello_world_node.cpp

• 运行(方式二)：

先将此工作区下的ROS包导出到环境变量，然后用ros run指令启动：

$ cd ~/catkin_ws
$ source ./devel/setup.bash
$ rosrun trd_driver hello_world_node

• 运行(方式三)：

建立launch文件，用launch文件启动。

编写ROS订阅、发布节点(C++)

发布者节点

功能：以10Hz的频率，向/chatter主题发布"hello x"(x为计数)字符串。

#include "ros/ros.h"
#include "std_msgs/String.h"
#include <sstream>

int main(int argc, char *argv[]) {
    ros::init(argc, argv, "talker"); //初始化节点,名称为"talker"
    ros::NodeHandle nh; //创建节点句柄
    ros::Publisher pub = 
         nh.advertise<std_msgs::String>("chatter", 1000); //创建发布者
    ros::Rate loop_rate(10); //设置循环频率
    int count = 0; //循环计数
    while (ros::ok()){
        std_msgs::String msg; //创建消息
        std::stringstream ss;
        ss << "Hello " << count;
        msg.data = ss.str(); //消息赋值
        ROS_INFO("send [%s]", msg.data.c_str());
        
        pub.publish(msg); //发布消息
        ros::spinOnce(); //非阻塞调用
        loop_rate.sleep();
        ++count;
    }
    return 0;
}

订阅者节点

功能：订阅/chatter主题，并打印收到的内容。

#include "ros/ros.h"
#include "std_msgs/String.h"

void subCallback(const std_msgs::String::ConstPtr& msg) {
    ROS_INFO("I heard: [%s]", msg->data.c_str());
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    ros::init(argc, argv, "listener"); //初始化节点,名称为"listener"
    ros::NodeHandle nh;//创建节点句柄
    ros::Subscriber sub = 
         nh.subscribe("chatter", 1000, subCallback); //创建订阅者
    ros::spin(); //阻塞调用
    return 0;
}

编写ROS订阅、发布节点(Python)

请参照官方教程自行尝试。

ROS常用指令

• roscore:启动ROS master主服务
• rviz:可视化工具(地图、图片、点云、机器人模型... ...)
• rqt_reconfigure:配置参数界面
• rqt_graph:弹出所有节点/主题关系可视化界面
• rosnode list:列出正在运行的节点
• rosnode info node_name:打印节点信息
• rosnode kill node_name:停止某个节点
• rosrun package node:启动package包下的node节点
• rostopic list:列出正在运行的topic名字列表
• rostopic info:打印topic类型信息
• rostopic echo:打印topic实时数据信息
• roscd package:切换到package包所在路径
• rosed package abc.cpp:用编辑器打开package包下的abc.cpp文件
• rosservice list:列出正在运行的service名字列表
• rosservice info service_name:打印service类型信息
• roslaunch launch_file_name:启动launch文件
• roslaunch-deps abc.launch:列出launch文件中依赖的package
• rosmsg list:已安装msg名字列表
• rosmsg show msg_name:已安装msg类型信息
• rosmsg package 包名:包包含的所有msg名
• rospack list: 列出已安装的包
• rosstack list:列出已安装的元包
• rosbag record topic_name -O abc.bag:记录topic到abc.bag文件
• rosbag play abc.bag:播放bag文件
• roswtf:打印错误检查
• rossrv list:已安装srv名字列表
• rossrv show srv_name:已安装srv类型信息
• rossrv package 包名:包包含的所有srv名

ROS学习网站

• ROS维基网站： http://wiki.ros.org/
• ROS官方教程: http://wiki.ros.org/ROS/Tutorials
• ROS Answers论坛： answers.ros.org
• 创客智造： https://www.ncnynl.com/

ROS学习书籍

1. A Gentle Introduction to ROS

(英文版) 链接: https://pan.baidu.com/s/1WtsiWh7o542KCgSNMR8ugQ 密码: ci3k

(中文版) 链接: https://pan.baidu.com/s/1skP5o819hZE1OsXypFD_Gw 密码: p8f9

2. Learning ROS for Robotics Programming

链接: https://pan.baidu.com/s/1sjegN3w_ehvhxT00d1xBiw 密码: bnce

3. Programming Robots with ROS: A Practical Introduction to the Robot Operating System

链接: https://pan.baidu.com/s/1QkqD-Zu_i3KJNCn0xSsKng 密码: qd82

4. Robot Operating System (ROS)The Complete Reference

链接: https://pan.baidu.com/s/1d4UZd3Ast9SxPhz8HZh9gg 密码: ep42