ROS入门21讲 | ROS机器人入门教程 【简明笔记】

古月·ROS入门21讲 | 一学就会的ROS机器人入门教程

ROS核心概念

1. ROS = 通信机制+开发工具+应用功能+生态系统

2. 通信机制：

   • Node：完成具体功能的进程、独立运行的可执行文件。可用多种语言py、c++。节点在系统中的名称唯一。

   • ROS Master：为节点提供命名注册服务；跟踪和记录话题、服务通信，节点之间建立连接；提供参数服务器，记录全局变量值。（管理Node）

   • Topic：节点间用来传输数据的重要总线；使用publisher/subscriber模型，单向数据传输有发布者传输到订阅者，同一个话题的订阅者或者发布者不唯一。（异步通讯）

     

     Message：具有一定的类型和数据结构，包括ROS提供的标准类型和用户自定义类型；使用编程语言无关的.msg文件定义。

   • Service：（同步通讯机制）：使用Client/Server模型，客户端发送请求数据，服务器完成处理后返回应答数据；使用编程语言无关的.srv文件定义。请求一次应答一次，带反馈。一个server，多个client。

3. 参数Parameter：全局共享字典

   • 可通过网络访问的共享、多变量字典

   • 借点使用此服务器来存储和检索运行时的参数

   • 存储静态、非二进制配置参数。

4. 功能包Package：ROS软件基本单元，包含节点源码、配置文件、数据定义

ROS命令行

1. roscore：启动ros master

   rosrun：启动节点 TAB键查看包含节点

   rqt_graph：显示系统计算图。

   rosnode list：显示系统中所有节点

   rosnode info：显示节点信息，正在发布/订阅的话题

   rostopic：查看话题

   rosmsg show：显示消息的数据结构

   rosservice list：服务列表

   rossrv show std_srvs/Trigger：查看数据结构

   rosrecord -a -O cmd_record ：话题记录

   rosbag play cmd_record.bag：复现指令

   //发布指令让乌龟移动 -r 10:rate，发布话题数据内容的频率,10hz
   //rostopiv pub /话题名 消息结构（内容）数据
   //如Twist数据结构有linear线速度和angular角速度两个结构
   rostopic pub -r 10 /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/Twist "linear:
   x: 1.0 
   y: 0.0
   z: 0.0
   angular:
   x: 0.0
   y: 0.0
   z: 0.0"
   

工作空间与功能包

1. 工作空间 workspace _ws：一个存放工程开发相关文件的文件夹。

   • src：代码空间 Source Space。 功能包、launch文件
   • build：编译空间 Build Space。
   • devel：开发空间 Development Space。编译生成的可执行文件。
   • install：安装空间 Install Space

2. 在系统中创建工作空间并进行编译：

   //创建工作空间
   mkdir -p ~/catkin_ws/src
   cd ~/catkin_ws/src
   catkin_init_workspace
   //编译工作空间
   cd ~/catkin_ws/
   catkin_make
   //设置环境变量
   source devel/setup.bash
   //检查环境变量
   echo $ROS_PACKAGE_PATH
   

tf::MessageFilter结构：
定义数据：TransformListener、message_filters::Subscriber、tf::MessageFilter，用消息的名称来初始化 message_filters::Subscriber。用 tf、message_filters::Subscriber、目标坐标系来初始化 tf::MessageFilter，给 tf::MessageFilter 注册 callback。编写 callback，并在回调中完成坐标转换。至此完成消息订阅+坐标转换。

订阅与发布

发布者 Publisher

1. 话题模型

//创建功能包
// _ws/src目录下 catkin_create_pkg 功能包名
catkin_create_pkg learning_topic roscpp rospy std_msgs geometry_msgs turtlesim

2. 实现发布
   • 初始化ROS节点，创建节点句柄
   • 向ROS Master注册节点信息，包括发布的话题名和话题中的消息类型
   • 创建消息数据
   • 按频率发布消息

//C++
//创建发布者代码 发布tuetle1/cmd_vel 话题，消息类型geometry_msgs::Twist
#include <ros/ros.h>
#include <geometry_msgs/Twist.h>//消息数据类型头文件

int main (int argc, char **argv)
{
    //ROS节点初始化 节点名Velocity_publisher
    ros::init(argc,argv,"velocity_publisher");
    //创建节点句柄 管理ROS API资源，调用
    ros::Nodehandle n;
    //创建一个Publisher，发布名为/turtle1/cmd_vel的topic，消息类型为geometry_msgs::Twist，队列长度10 
    //  发布者名 = 句柄.advertise<消息类型>("话题名"，队列长度)
    ros::Publisher turtle_vel_pub = n.advertise<geometry_msgs::Twist>("/turtle1/cmd_vel",10);
    //设置循环频率 不断publish
    ros:Rate loop_rate(10);
    
    int count = 0;
    while (ros:ok())
    {
        //初始化geometry_msgs::Twist类型消息
        geometry_msgs::Twist vel_msg;
        vel_msg.linear.x = 0.5;
        vel_msg.angular.z = 0.2;
        //发布消息
        turtle_vel_pub.publish(vel_msg); //由发布者发布消息，消息即vel_msg
        ROS_INFO("Publish turtle velocity command[%0.2f m/s, %0.2f rad/s]", vel_msg.linear.x,vel_msg.angular.z);//printf 输出
        //按照循环频率延时
        loop_rate.sleep();
    }
    return 0;
}

#Python 存放于scripts文件夹下，要设置为可执行文件即可用rosrun执行 
#!/usr/bin/python是告诉操作系统调用/usr/bin下的python解释器来执行这个脚本。例如，我们编写了hello.py脚本，执行时需要输入命令：python hello.py。因为有了这行声明，就可以直接用./hellp.py 来执行了，在这之前需要给脚本设置可执行权限chmod +x hello.py。
#!/usr/bin/env python是为了防止没有将python装在默认的/usr/bin路径里。当系统看到这一行的时候，首先会到env设置里查找python的安装路径，再调用对应路径下的解释器程序完成操作，推荐这种写法。
#2.x版本的py文件一般默认的是ASCII码，如果文件里有中文，运行时会出现乱码，注释是中文也不行。因此，需要把文件编码类型改为utf-8的类型，输入# -*- coding:utf-8 -*-之后会把文件编码强制转换为utf-8。
#3.x版本的py文件的默认编码为Unicode，也就是说不用进行编码声明，可以直接使用中文了。


#!/usr/bin/env python
# -*- coding:utf-8 -*-
#创建发布者代码 发布tuetle1?cmd_vel 话题，消息类型geometry_msgs::Twist
import rospy
from geometry_msgs.msg import Twist
def velocity_publisher():
    #ROS节点初始化
    rospy,init_node('velocity_publisher',anonymous=True)
    #创建一个Publisher，发布名为/turtle1/cmd_vel的topic，消息类型为geometry_msgs::Twist，队列长度10 
    turtle_vel_pub = rospy.Publsiehr('/turtle1/cmd_vel',Twist,queue_size = 10)
    #设置循环频率 不断publish
    rate = rospy.Rate(10)
    
    while not rospy.is_shutdown():
        # 初始化geometry_msgs::Twist类型消息
        vel_msg = Twist()
        vel_msg.linear.x = 0.5
        vel_msg.angular.z = 0.2
        #发布消息
        turltle_vel_pub.publish(vel_msg)
        rospy.loginfo("Publish turtle velocity command[%0.2f m/s, %0.2f rad/s]",vel_msg.linear.x, vel_msg.angualr.z)
        #按照循环频率延时
        rate.sleep()
        
        if __name__ == '__main__':# 当模块被直接运行时，if...以下代码块将被运行，当模块是被导入时，代码块不被运行
            try:
                velocity_publisher()
                except rospy.ROSInterruptException:
                    pass

3. 编译

##在CMakeLists.txt中加入 生成可执行文件和路径
add_executable(velocity_publisher src/velocity_publisher.cpp) 
target_link_libraries(velocity_publisher ${catkin_LIBRARIES})

//工作空间根目录
cd _ws
catkin_make
source devel/setup.bash //设置环境变量或可以把此行代码写入~/.bashrc
roscore
rosrun turtlesim turtlesim_node
rosrun learning_topic velocity_publisher

订阅者 Subscriber

1. 实现订阅
   • 初始化ROS节点
   • 订阅需要的话题
   • 循环等待话题消息，接收到消息后进入回调函数
   • 在回调函数中完成消息处理

//C++
//订阅/turtle1/pose话题，消息类型turtlesim::Pose
#include <ros/ros.h>
#include "turtlesim/Pose.h"

//接收到订阅的消息后，进入消息回调函数 订阅者不知道什么时候会有消息进入，一旦有消息进入即调用回调函数处理
void poseCallback(const turtlesim::Pose::ConstPtr& msg)//针对消息的常指针
{
    //将接收到的消息打印出来
    ROS_INFO("turtle pose: x:%0.6f, y:%0.6f", msg->x,msg->y);//指针数据调用
}

int main(int argc, char **argv)
{
    //初始化ROS节点
    ros::init(argc, argv, "pose_subscriber");
    //创建节点句柄 管理节点资源
    ros::NodeHandle n;
    //创建一个Subscriber, 订阅名为/turtle1/pose的topic，注册回调函数poseCallback
    //订阅者：pose_sub，订阅话题：/turtle1/pose
    ros::Subscriber pose_sub = n.subscriber("/turtle1/pose", 10, poseCallback);
    //循环等待回调函数
    ros::；spin();//循环等待 查看队列，若有消息则调用poseCallback，否则死循环；缺少了某个资源，等到资源就绪之后，转换到就绪态，再等待上cpu执行；spin = 等待某个命令 = 直到命令到达 = 等着上cpu执行下一步
    return 0;
}

#Python
#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-
#订阅/turtle1/pose话题，消息类型turtlesim::Pose

import rospy
from turtlesim.msg import Pose
def poseCallback(msg):
    rospy.loginfo("Turtle pose: x:%0.6f, y:%0.6f", msg.x, msg.y)
def pose_subscriber():
        # 初始化ROS节点
        rospy.init_node('pose_subscriber', anonymous=True)
        # 创建一个Subscriber, 订阅名为/turtle1/pose的topic，注册回调函数poseCallback
        rospy.Subscriber("/turtle1/pose", Pose, poseCallback)
        # 循环等待回调函数
        rospy.spin()
if __name__ == '__main__': # 当模块被直接运行时，if...以下代码块将被运行，当模块是被导入时，代码块不被运行
    pose_subscriber()
       

2. 编译

   add_executable(velocity_subscriber src/pose_subscriber.cpp)
   target_link_libraries(pose_subscriber ${catkin_LIBRARIES})
   catkin make 
   
   

话题消息的自定义与使用

1. 消息数据类型的自定义

   • 创建msg文件并定义

   • 在package.xml中添加功能包依赖

     编译依赖 功能包message_generation动态产生message
     <build_depend>message_generation</build_depend>
     执行依赖
     <exec_depend>message_runtime</exec_depend>
     

   • 在CMakeLists.txt添加编译选项

     find_package( ...... message_generation)
     add_message_files(FILES Person.msg) //定义接口
     generate_messages(DEPENDENCIES std_msgs) //接口依赖库
     catkin_package( ...... message_runtime) //运行依赖
     

   • 编译生成可执行文件，将在devel中生成.h头文件。使用时需引用头文件自己定义并编译的.h。

//定义一个人的类型的消息Person.msg
//一般在msg文件夹下
string name 
uint8 sex
uint8 age
//宏定义    
uint8 unknown = 0
uint8 male = 1
uint8 female = 2

依赖添加多一项add_dependcies

add_dependencies(person_publisher ${PROJECT_NAME}_generate_messages_cpp)
add_dependencies(person_subscriber ${PROJECT_NAME}_generate_messsages_cpp)

2. 关闭roscore不影响已经建立联系的Publisher和Subscriber

服务与客户端

客户端 Client

1. 话题模型：Client端 请求节点，发布产生乌龟的request，server收到后产生response。

   • 创建功能包

     //在工作空间的src目录下
     cd ~/catkin_ws/src
     catkin_create_pkg learning_service roscpp rospy std_msgs geometry_msgs turtlesim
     

2. 实现一个客户端

   • 初始化ROS节点
   • 创建Client实例
   • 发布服务请求数据
   • 等待Server处理之后的应答结果

 /**
  * 该例程将请求/spawn服务，服务数据类型turtlesim::Spawn
  */
 #include <ros/ros.h>
 #include <turtlesim/Spawn.h> //数据类型头文件
 
 int main(int argc, char** argv)
 {
     // 初始化ROS节点
 	ros::init(argc, argv, "turtle_spawn");
     // 创建节点句柄
 	ros::NodeHandle node;
     // 发现/spawn服务后，创建一个服务客户端，连接名为/spawn的service
 	ros::service::waitForService("/spawn"); //查询系统里是否有/spawn服务，存在才能请求
     //创建名为add_turtle的客户端，请求名为/spawn、数据类型为turtle::Spawn的服务
 	ros::ServiceClient add_turtle = node.serviceClient<turtlesim::Spawn>("/spawn");
     // 初始化turtlesim::Spawn的请求数据
 	turtlesim::Spawn srv;//定义请求数据结构为turtlesim::Spawn的变量srv
 	srv.request.x = 2.0;
 	srv.request.y = 2.0;
 	srv.request.name = "turtle2";
     // 请求服务调用
 	ROS_INFO("Call service to spwan turtle[x:%0.6f, y:%0.6f, name:%s]", 
 			 srv.request.x, srv.request.y, srv.request.name.c_str());
 
 	add_turtle.call(srv);//请求数据，阻塞型函数，一直等待反馈
 	// 显示服务调用结果
 	ROS_INFO("Spwan turtle successfully [name:%s]", srv.response.name.c_str());//c_str()返回当前字符串的首字符地址
 	return 0;
 };
 

#python
#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-
# 该例程将请求/spawn服务，服务数据类型turtlesim::Spawn
import sys
import rospy
from turtlesim.srv import Spawn

def turtle_spawn():
	# ROS节点初始化
    rospy.init_node('turtle_spawn')
	# 发现/spawn服务后，创建一个服务客户端，连接名为/spawn的service
    rospy.wait_for_service('/spawn')
    try:
        add_turtle = rospy.ServiceProxy('/spawn', Spawn)
		# 请求服务调用，输入请求数据
        response = add_turtle(2.0, 2.0, 0.0, "turtle2")#x,y,theta,name
        return response.name
    except rospy.ServiceException, e:
        print "Service call failed: %s"%e
if __name__ == "__main__":
	#服务调用并显示调用结果
    print "Spwan turtle successfully [name:%s]" %(turtle_spawn())

3. 编译

   add_executable(turtle_spawn src/turtle_spawn.cpp)
   target_link_libraries(turtle_spawn ${catkin_LIBRARIES})
   ##工作空间根目录下
   catkin_make
   source devel/setup.bash
   roscore
   rosrun turtlesim turtlesim_node
   rosrun learning_service turtle_spawn
   

服务端 Server

1. 服务端server：给海龟发指令，接受request决定是不是要给海龟发指令。包含server和topic发布。

   触发信号Trigger 可用rossrv show std_srvs/Trigger查看数据结构

   • 初始化ROS节点
   • 创建Server实例
   • 循环等待服务请求，进入回调函数（已注册）
   • 在回调函数中完成服务功能的处理，并反馈应答数据

   /**
    * 该例程将执行/turtle_command服务，服务数据类型std_srvs/Trigger
    */
   #include <ros/ros.h>
   #include <geometry_msgs/Twist.h> //topic头文件
   #include <std_srvs/Trigger.h> //server头文件
   
   ros::Publisher turtle_vel_pub; //全局publisher
   bool pubCommand = false; //标志位默认停止false
   // service回调函数，输入参数req，输出参数res
   bool commandCallback(std_srvs::Trigger::Request  &req,
            			std_srvs::Trigger::Response &res)
   {
   	pubCommand = !pubCommand;//标志位取反 开关
       // 显示请求数据
       ROS_INFO("Publish turtle velocity command [%s]", pubCommand==true?"Yes":"No");
   	// 设置反馈数据 数据结构来自于内置库的Trigger
   	res.success = true;
   	res.message = "Change turtle command state!";
       return true;
   }
   
   int main(int argc, char **argv)
   {
       // ROS节点初始化
       ros::init(argc, argv, "turtle_command_server");
       // 创建节点句柄
       ros::NodeHandle n;
       // 创建一个名为/turtle_command的server，注册回调函数commandCallback。收到request后，立刻进入回调函数
       ros::ServiceServer command_service = n.advertiseService("/turtle_command", commandCallback);
   	// 创建一个Publisher，发布名为/turtle1/cmd_vel的topic，消息类型为geometry_msgs::Twist，队列长度10。发送速度指令
   	turtle_vel_pub = n.advertise<geometry_msgs::Twist>("/turtle1/cmd_vel", 10);
       // 循环等待回调函数
       ROS_INFO("Ready to receive turtle command.");
   	// 设置循环的频率
   	ros::Rate loop_rate(10);
       
   	while(ros::ok())
   	{
   		// 查看一次回调函数队列 有数据队列就进入回调函数，没有就跳出继续执行程序
       	ros::spinOnce();
   		// 如果标志为true，则发布速度指令
   		if(pubCommand)
   		{
   			geometry_msgs::Twist vel_msg;
   			vel_msg.linear.x = 0.5;
   			vel_msg.angular.z = 0.2;
   			turtle_vel_pub.publish(vel_msg);
   		}
   		//按照循环频率延时
   	    loop_rate.sleep();
   	}
       return 0;
   }
   

   #Python
   #!/usr/bin/env python
   # -*- coding: utf-8 -*-
   # 该例程将执行/turtle_command服务，服务数据类型std_srvs/Trigger
   import rospy
   import thread,time
   from geometry_msgs.msg import Twist
   from std_srvs.srv import Trigger, TriggerResponse
   
   pubCommand = False;
   turtle_vel_pub = rospy.Publisher('/turtle1/cmd_vel', Twist, queue_size=10)
   def command_thread():	#线程，判断标志位；python只有spin没有spinonce
   	while True:
   		if pubCommand:
   			vel_msg = Twist()
   			vel_msg.linear.x = 0.5
   			vel_msg.angular.z = 0.2
   			turtle_vel_pub.publish(vel_msg)
   		time.sleep(0.1)
   
   def commandCallback(req):
   	global pubCommand
   	pubCommand = bool(1-pubCommand)
   	# 显示请求数据
   	rospy.loginfo("Publish turtle velocity command![%d]", pubCommand)
   	# 反馈数据
   	return TriggerResponse(1, "Change turtle command state!")
   def turtle_command_server():
   	# ROS节点初始化
       rospy.init_node('turtle_command_server')
   	# 创建一个名为/turtle_command的server，注册回调函数commandCallback
       s = rospy.Service('/turtle_command', Trigger, commandCallback)
   	# 循环等待回调函数
       print "Ready to receive turtle command."
       thread.start_new_thread(command_thread, ())
       rospy.spin()#循环直到收到数据，进入回调函数 
   if __name__ == "__main__":
       turtle_command_server()
   

2. 编译

   add_executable(turtle_command_server src/turtle_command_server.cpp)
   target_link_libraries(turtle_command_server ${catkin_LIBRARIES})
   
   cd ~/..._ws
   catkin_make
   source devel/setup.bash
   roscore
   rosrun turtlesim turtlesim_node
   rosrun learning_service turtle_command_server
   rosservice call /turtle_command "{}"
   

服务数据的自定义

1. 服务模型

• 自定义服务数据 创建新文件srv下，创建Person.srv文件并写入

string name 
uint8 age
uint8 sex

uint8 unknown = 0
uint8 male = 1
uint8 female = 2
---   //以上是request数据，以下是response数据
string result

• 在package.xml中添加功能包依赖

  <build_depend>message_generation</build_depend>
  <exec_depend>message_runtime</exec_depend>
  

• 在CMakeLists.txt文件中添加编译选项

  find_package( .... message_generation)#加功能包
  add_service_files(FILES Person.srv)#根据哪一个srv文件创建头文件
  generate_messages(DEPENDENCIES std_msgs)#根据文件定义产生头文件
  catkin_package( .... message_runtime)#添加编译依赖
  #工作空间根目录下
  catkin_make#成功后在include下会找到对应的头文件 
  

2. 客户端

   /**
    * 该例程将请求/show_person服务，服务数据类型learning_service::Person
    */
   #include <ros/ros.h>
   #include "learning_service/Person.h"
   
   int main(int argc, char** argv)
   {
       // 初始化ROS节点
   	ros::init(argc, argv, "person_client");
       // 创建节点句柄
   	ros::NodeHandle node;
       // 发现/spawn服务后，创建一个服务客户端，连接名为/spawn的service
   	ros::service::waitForService("/show_person");
   	ros::ServiceClient person_client = node.serviceClient<learning_service::Person>("/show_person");
       // 初始化learning_service::Person的请求数据
   	learning_service::Person srv;
   	srv.request.name = "Tom";
   	srv.request.age  = 20;
   	srv.request.sex  = learning_service::Person::Request::male;
       // 请求服务调用
   	ROS_INFO("Call service to show person[name:%s, age:%d, sex:%d]", 
   			 srv.request.name.c_str(), srv.request.age, srv.request.sex);
   
   	person_client.call(srv);
   	// 显示服务调用结果
   	ROS_INFO("Show person result : %s", srv.response.result.c_str());
   	return 0;
   };
   

   3. 服务端

      /**
       * 该例程将执行/show_person服务，服务数据类型learning_service::Person
       */
      #include <ros/ros.h>
      #include "learning_service/Person.h"
      
      // service回调函数，输入参数req，输出参数res
      bool personCallback(learning_service::Person::Request  &req,
               			learning_service::Person::Response &res)
      {
          // 显示请求数据
          ROS_INFO("Person: name:%s  age:%d  sex:%d", req.name.c_str(), req.age, req.sex);
      	// 设置反馈数据
      	res.result = "OK";
          return true;
      }
      int main(int argc, char **argv)
      {
          // ROS节点初始化
          ros::init(argc, argv, "person_server");
          // 创建节点句柄
          ros::NodeHandle n;
          // 创建一个名为/show_person的server，注册回调函数personCallback
          ros::ServiceServer person_service = n.advertiseService("/show_person", personCallback);
          // 循环等待回调函数
          ROS_INFO("Ready to show person informtion.");
          ros::spin();
          return 0;
      }
      

   4. 编译

      add_executable(person_server src/person_server.cpp)
      target_link_libraries(person_servr ${catkin_LIBRARIES})
      add_dependencies(person_server ${PROJECT_NAME}_gencpp) #动态生成的cpp文件
      
      add_executable(person_client src/person_client.cpp)
      target_link-libraries(person_client ${catkin_LIBRARIES})
      add_dependencies(person_client ${PROJECT_NAME}_gencpp)
      
      # 工作空间根目录下
      catkin_make
      source devel/setup.bash #可写入系统环境变量bashrc，否则每次都要输入
      roscore 
      rosrun learning_service person_server
      rosrun learning_service person_client
      

参数的使用与编程

1. 参数模型：各个节点可以全局访问参数服务器。参数文件.yaml

• 创建功能包：

  cd ~/catkin_ws/src
  catkin_create_pkg learning_parameter roscpp rospy std_srvs
  

• 参数命令行 修改参数后请求服务才能生效

  //显示参数列表
  rosparam list
  //获取参数
  rosparam get 
  //修改参数值
  rosparam set 变量名 变量值
  //保存参数到文件于当前路径下
  rosparam dump 文件名.yaml 
  //从文件读取参数
  rosparam load 文件名.yaml
  //删除参数
  rosparam delete 参数名
  

2. 程序实现参数操作

   • 初始化ROS节点
   • get函数获取参数
   • set函数设置参数

   /**
    * 该例程设置/读取海龟例程中的参数
    */
   #include <string>
   #include <ros/ros.h>
   #include <std_srvs/Empty.h>
   
   int main(int argc, char **argv)
   {
   	int red, green, blue;
       // ROS节点初始化
       ros::init(argc, argv, "parameter_config");
       // 创建节点句柄
       ros::NodeHandle node;
       // 读取背景颜色参数 get("变量名"，参数值存储到哪个变量中)
   	ros::param::get("/background_r", red);
   	ros::param::get("/background_g", green);
   	ros::param::get("/background_b", blue);
   	ROS_INFO("Get Backgroud Color[%d, %d, %d]", red, green, blue);
   	// 设置背景颜色参数
   	ros::param::set("/background_r", 255);
   	ros::param::set("/background_g", 255);
   	ros::param::set("/background_b", 255);
   	ROS_INFO("Set Backgroud Color[255, 255, 255]");
       // 读取背景颜色参数
   	ros::param::get("/background_r", red);
   	ros::param::get("/background_g", green);
   	ros::param::get("/background_b", blue);
   	ROS_INFO("Re-get Backgroud Color[%d, %d, %d]", red, green, blue);
   	// 调用服务，刷新背景颜色
   	ros::service::waitForService("/clear");
   	ros::ServiceClient clear_background = node.serviceClient<std_srvs::Empty>("/clear");
   	std_srvs::Empty srv;
   	clear_background.call(srv);
   	sleep(1);
       return 0;
   }
   

   • 编译

     add_executable(parameter_config src/parameter_config.cpp)
     target_link_libraries(parameter_config ${catkin_LIBRARIES})
     #工作空间下
     catkin_make
     source devel/setup.absh
     roscore
     rosrun turtlesim turtlesim_node
     rosrun learning_parameter parameter_config
     

ROS中的坐标管理系统 TF

1. 坐标变换工具TF：查询两坐标系之间的变换关系。通过广播和监听实现。

sudo apt-get install ros-melodic-turtlle-tf //ros-版本-功能包
roslaunch turtle_tf turtle_tf_demo.launch //.launch启动脚本文件中的诸多节点
rosrun turtlesim turtle_teleop_key
rosrun tf view_frames //tf功能包提供的查看系统中所有tf关系

World坐标系：全局坐标系，不动。

rosrun tf tf_echo 坐标系1 坐标系2   //查询坐标关系
//Translation：平移，旋转：四元数/欧拉角RPY

TF基本的数据类型（Quaternion, Vector, Point, Pose, Transform）

TF坐标系广播与监听

1. 创建功能包

   $ cd ~/catkin_ws/src
   $ catkin_create_pkg learning_tf roscpp rospy tf turtlesim
   

2. TF广播器：广播坐标系之间的关系

   • 定义TF广播器(TransformBroadcaster)

   • 创建坐标变换值

   • 发布坐标变换(sendTransform)

     /**
      * 该例程产生tf数据，并计算、发布turtle2的速度指令
      */
     #include <ros/ros.h>
     #include <tf/transform_broadcaster.h>
     #include <turtlesim/Pose.h>
     std::string turtle_name;
     
     void poseCallback(const turtlesim::PoseConstPtr& msg)
     {
     	// 创建tf的广播器
     	static tf::TransformBroadcaster br;
     	// 初始化tf数据
     	tf::Transform transform; //4x4矩阵 T
     	transform.setOrigin( tf::Vector3(msg->x, msg->y, 0.0) ); //平移参数
     	tf::Quaternion q; //旋转
     	q.setRPY(0, 0, msg->theta); //姿态变化
     	transform.setRotation(q);
     	// 广播world与海龟坐标系之间的tf数据 StampedTransform(变换矩阵，时间戳，坐标系1，坐标系2)
     	br.sendTransform(tf::StampedTransform(transform, ros::Time::now(), "world", turtle_name));
     }
     
     int main(int argc, char** argv)
     {
         // 初始化ROS节点
     	ros::init(argc, argv, "my_tf_broadcaster");
     	// 输入参数作为海龟的名字
     	if (argc != 2)
     	{
     		ROS_ERROR("need turtle name as argument"); 
     		return -1;
     	}
     	turtle_name = argv[1];
     	// 订阅海龟的位姿话题
     	ros::NodeHandle node;
     	ros::Subscriber sub = node.subscribe(turtle_name+"/pose", 10, &poseCallback);
         // 循环等待回调函数
     	ros::spin();
     	return 0;
     };
     

3. TF监听器：获取任意两个坐标系之间关系

   • 定义TF监听器 TransformListener

   • 查找坐标变换 waitForTransform、lookupTransform

     /**
      * 该例程监听tf数据，并计算、发布turtle2的速度指令
      */
     #include <ros/ros.h>
     #include <tf/transform_listener.h>
     #include <geometry_msgs/Twist.h>
     #include <turtlesim/Spawn.h>
     
     int main(int argc, char** argv)
     {
     	// 初始化ROS节点
     	ros::init(argc, argv, "my_tf_listener");
         // 创建节点句柄
     	ros::NodeHandle node;
     	// 请求产生turtle2
     	ros::service::waitForService("/spawn");
     	ros::ServiceClient add_turtle = node.serviceClient<turtlesim::Spawn>("/spawn");
     	turtlesim::Spawn srv;
     	add_turtle.call(srv);
     	// 创建发布turtle2速度控制指令的发布者
     	ros::Publisher turtle_vel = node.advertise<geometry_msgs::Twist>("/turtle2/cmd_vel", 10);
     	// 创建tf的监听器
     	tf::TransformListener listener;
     	ros::Rate rate(10.0);
     	while (node.ok())
     	{
     		// 获取turtle1与turtle2坐标系之间的tf数据
     		tf::StampedTransform transform;//保存平移旋转关系
     		try
     		{
                  // waitForTransform(坐标系1，坐坐标系2，查询（当前）时间，等待时间)如果存在关系则程序往下走
     			listener.waitForTransform("/turtle2", "/turtle1", ros::Time(0), ros::Duration(3.0));
                  // lookupTransform(坐标系1，坐标系2，查询时间，结果保存于)
     			listener.lookupTransform("/turtle2", "/turtle1", ros::Time(0), transform);
     		}
     		catch (tf::TransformException &ex) 
     		{
     			ROS_ERROR("%s",ex.what());
     			ros::Duration(1.0).sleep();
     			continue;
     		}
     		// 根据turtle1与turtle2坐标系之间的位置关系，发布turtle2的速度控制指令
     		geometry_msgs::Twist vel_msg;
     		vel_msg.angular.z = 4.0 * atan2(transform.getOrigin().y(),
     				                        transform.getOrigin().x());
     		vel_msg.linear.x = 0.5 * sqrt(pow(transform.getOrigin().x(), 2) +
     				                      pow(transform.getOrigin().y(), 2));
     		turtle_vel.publish(vel_msg);
     		rate.sleep();
     	}
     	return 0;
     };
     

4. 编译

   • 编译成可执行文件 add_executable

   • 添加链接 target_link_libraries

     $ cd ~/catkin_ws
     $ catkin_make
     $ source devel/setup.bash
     $ roscore
     $ rosrun turtlesim turtlesim_node
     $ rosrun learning_tf turtle_tf_broadcaster __name:=turtle1_tf_broadcaster /turtle1 #重映射，重新命名
     $ rosrun learning_tf turtle_tf_broadcaster __name:=turtle2_tf_broadcaster /turtle2
     $ rosrun learning_tf turtle_tf_listener
     $ rosrun turtlesim turtle_teleop_key
     

launch启动文件的使用方法

1. launch文件：通过XML文件实现多节点的配置和启动。快速启动节点，不用打开终端输入。（自动启动ROS Master）

   常用语法：

   <launch> launch文件中的根元素采用<launch>标签定义</launch>
   <node> 启动节点
      <node pkg="package-name" type="executable-name" name="node-name" />
            pkg：节点所在功能包名称
            type：节点的可执行文件名称
            name：节点运行时的名称 会取代文件中初始化的节点名，同文件多命名以实现该程序的多次利用
            output：节点是否要打印日志信息
            respawn：如果节点挂掉是否要进行重启
            required：某个节点是否必须要启动
            ns：namespace，避免命名冲突
            args：输入参数
       </node>
   <param> 设置ROS运行中的一个参数，存储在参数服务器中
       <param name="output_frame" value="odom"/>
       name：参数名
       value：参数值
       </param>
       
   <rosparam>加载参数文件中的多个参数
       <rosparam file="params.yaml" command="load" ns="params" />
       </rosparam>
       
   <arg> launch文件内部的局部变量，仅限于launch文件使用
       <arg name="arg-name" default="arg-value" />
       name：参数名
       value：参数值
       </arg>
       调用
       <!--
       <param name="foo" value=$(arg arg-name)" />
       <node name="node" pkg="package" type="type" args="$(arg arg-name)" />  
          -->
   <remap>重映射ROS计算图资源的命名
       <remap from="/turtlebot/cmd_vel" to="/cmd_vel" />
       from :原命名
       to：映射之后的命名
           </param>
       
   <include>包含其他launch文件，类似于C语言中的头文件包含
       <include flle="$(dirname)/other.launch" />
       file：包含的其他launch文件路径
       </include>
   

2. 示例：开启两个node节点

   <launch>
       <node pkg="learning_topic" type="person_subscriber" name="talker" output="screen" />
       <node pkg="learning_topic" type="person_publisher" name="listener" output="screen" /> 
   </launch>
   开启功能包下的可执行文件的某某节点并于终端输出日志
   

   开启launch

   $ roslaunch 功能包 .launch
   

3. 示例：配置参数

   <launch>
   	<param name="/turtle_number"   value="2"/> 
       <node pkg="turtlesim" type="turtlesim_node" name="turtlesim_node">
   		<param name="turtle_name1"   value="Tom"/>
   		<param name="turtle_name2"   value="Jerry"/> 
   		<rosparam file="$(find learning_launch)/config/param.yaml" command="load"/>
   	</node>
       <node pkg="turtlesim" type="turtle_teleop_key" name="turtle_teleop_key" output="screen"/>
   </launch>
   $(find learning_launch)系统搜索功能包
   

4. 示例：启动海龟跟随

    <launch>
       <!-- Turtlesim Node-->
       <node pkg="turtlesim" type="turtlesim_node" name="sim"/>
       <node pkg="turtlesim" type="turtle_teleop_key" name="teleop" output="screen"/>
       <node pkg="learning_tf" type="turtle_tf_broadcaster" args="/turtle1" name="turtle1_tf_broadcaster" />
       <node pkg="learning_tf" type="turtle_tf_broadcaster" args="/turtle2" name="turtle2_tf_broadcaster" />
       <node pkg="learning_tf" type="turtle_tf_listener" name="listener" />
     </launch>
   

5. 示例：重映射以及include

   <launch>
   	<include file="$(find learning_launch)/launch/simple.launch" /> 启动这个launch文件所有内容
       <node pkg="turtlesim" type="turtlesim_node" name="turtlesim_node">
   		<remap from="/turtle1/cmd_vel" to="/cmd_vel"/>
   	</node>
   </launch>
   

可视化工具

1. Qt工具箱

   • rqt_console日志输出工具
   • rqt_graph计算图可视化工具
   • rqt_plot数据绘图工具
   • rqt_image_view图像渲染工具
   • rqt工具箱

2. Rviz：数据显示平台

   rosrun rviz rviz
   

3. Gazebo：三维仿真平台文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-484191.html

到了这里，关于ROS入门21讲 | ROS机器人入门教程 【简明笔记】的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容，请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章，希望大家以后多多支持TOY模板网！