《機器人操作系統（ROS）淺析》肖軍浩譯

PDF下載地址：

鏈接：https://pan.baidu.com/s/1l_FAbn_g04q-Z0lKSxx8tw
提取碼：8lbp

注：英文原文為《A Gentle Introduction to ROS》 【美】Jason M. O'Kane著

一、緒論

二、入門概述

1. 安裝：參考 http://wiki.ros.org/cn

（1）sudo rosdep init　　初始化rosdep，rosdep用於檢查和安裝軟件包的依賴

（2）rosdep update　　初始化rosdep，在根目錄下保存一些文件，文件夾名為.ros

（3）source /opt/ros/ros版本/setup.bash

• 設置ROS_PACKAGE_PATH等環境變量，ROS根據這些環境變量來定位文件　　// 輸入 export | grep ROS 判斷是否配置完成
• setup.bash還定義了一些ros系統的bash函數，如roscd和rosls　　//這些函數定義在rosbash軟件包中

（3）測試ROS是否正確安裝

• roscore
• rosrun turtlesim turtlesim_node
• rosrun turtlesim turtle_teleop_key

注：三個終端分別執行指令

2. 常用術語和命令

（1）ROS功能包/軟件包：一組用於實現特定功能的相關文件的集合，包括可執行文件和其他支持文件　　//任何能找到且包含package.xml文件的目錄

注：使用catkin編譯生成的可執行文件放在外部標准目錄devel中（源碼外編譯）

（2）節點node：ROS程序的運行實例 running instance

（3）rosrun命令：啟動ROS節點　　rosrun  功能包名  可執行文件名　　//節點名不一定與可執行文件名相同，可以使用 __name:=節點名 顯式設置節點名稱

• rosrun本質上是一個shell腳本，可以根據ROS的文件組織結構自動找到相應可執行文件　　//可以直接輸入可執行文件的路徑啟動節點（等價的普通程序執行方式）
• 通過節點管理器master注冊成為ROS節點發生在程序的源碼內部，而不是通過rosrun命令

注：節點名稱必須唯一，不可多個節點擁有相同名稱

（4）消息傳遞機制：節點管理器負責確保發布節點和訂閱節點能找到對方，隨后消息從發布節點直接傳遞到訂閱節點，不經過節點管理器轉交

注：節點只管發，不管收，有助於減少節點之間的耦合度；話題可共享，話題和消息的通信機制是多對多的；服務是一對一的通信機制

（5）rosmsg show 消息類型名　　//輸出消息類型的詳細信息

（6）rostopic pub 話題名 消息類型 消息內容　　//命令行手動發布消息

注：消息內容可以按照rosmsg show命令的顯示結果進行輸入，也可以以YAML字典的形式輸入（顯式指明結構域中變量名和值的映射關系）

（7）每個消息類型均屬於一個特定的包，如turtlesim/Color屬於turtlesim包　　//消息類型斜杠/前的是包名，斜杠/后是類型名

注：把包名包含在消息類型中的目的：

• 能避免命名沖突　　//  geometry_msgs/Pose 和 turtlesim/Pose
• 在用到其他包的消息類型時，更容易表明包之間的依賴關系
• 有助於理解消息類型的含義

三、編寫ROS程序

1. catkin編譯系統試圖一次性編譯同一個工作區中的所有功能包

2. 創建功能包：catkin_create_pkg 包名　　//包名只允許使用小寫字母、數字和下划線，且首字符必須為字母

3. 清單文件package.xml中聲明的依賴庫並不會在編譯過程中進行檢查，但是會在將包發布給他人時，他人會因為沒有安裝依賴庫而編譯報錯

4. CMakeLists.txt中的${catkin_LIBRARIES}變量由find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS ...)語句定義

5. source devel/setup.bash　　//專門為當前的工作區進行環境變量設置

6. 每個話題都有一個消息類型，而每個消息類型都有相應的C++頭文件　　//包含消息類型頭文件  #include<包名/類型名.h>  如#include<geometry_msgs/Twist.h>

注：頭文件定義了一個與消息類型對應的C++類，且該類定義在以包名命名的域名空間中，如geometry_msgs::Twist類

7. ros::NodeHandle類維護一個引用計數，僅在第一個NodeHandle對象創建時才會在節點管理器注冊新的節點　　//使用標准的roscpp接口，在單個程序中無法運行多個節點

8. 創建發布者ros::Publisher屬於耗時操作，應該每個話題創建一個發布者，在程序執行過程中一直使用相應發布者　　//發布者創建不要放在循環內，避免為每條消息生成新的發布者

9. ros::ok()返回false條件：

• 使用rosnode kill命令終止節點
• 使用Ctrl+C發送終止信號　　//需要采用rosnode cleanup從節點管理器的列表中刪除節點
• 調用ros::shutdown()　　//在代碼中顯式表明節點工作已完成
• 以相同節點名啟動新的節點　　//新的節點將正常運行，而舊節點會被終止

10. 訂閱者回調函數：void function_name(const package_name::type_name &msg){ ... }

• 調用回調函數是ROS執行，返回值也交給ROS，用戶程序無法獲得返回值，因此設置為void
• 回調函數指針為 &function_name，如程序中的 &poseMessageReceived　　// 取地址符&是可選的，但建議使用，編譯器會根據函數名后面是否有括號，自動判斷是指針還是函數調用 

11. 顯式調用 ros::spin()或ros::spinonce()讓ROS執行回調函數

四、日志消息　　//ROS使用log4cxx庫實現日志功能

1. ROS日志系統的核心思想：使程序生成一些簡短的文本字符流，即日志消息

2. 嚴重級別（遞增）：DEBUG、INFO、WARN、ERROR、FATAL

3. 產生日志消息的基本C++宏

• ROS_DEBUG_STREAM(message)
• ROS_INFO_STREAM(message)
• ROS_WARN_STREAM(message)
• ROS_ERROR_STREAM(message)
• ROS_FATAL_STREAM(message)

注：日志系統是面向行的，調用任意宏會生成完整的一行日志消息　　//無需使用std::endl

4. 日志消息的輸出　　

（1）控制台

• DEBUG和INFO消息被送至標准輸出，WARN、ERROR和FATAL消息被送至標准錯誤
• 設置ROSCONSOLE_FORMAT環境變量調整日志消息打印到控制台的格式
• roslaunch工具默認不會將節點的標准輸出和標准錯誤導入至自己的輸入流，需顯式使用 output="screen"屬性或者--screen參數

（2）/rosout 話題：消息類型為rosgraph_msgs/Log

• 包含系統中所有節點的日志消息
• 查看消息內容：rostopic echo /rosout 或者 rqt_console

• rqt_console節點訂閱/rosout_agg話題　　//后綴_agg表示消息是經過rosout節點聚合的結果
• /rosout話題發布的消息都通過rosout節點輸出到/rosout_agg話題
• rosout是唯一一個訂閱/rosout話題的節點，也是/rosout_agg話題唯一的發布者　　//減少調試代價

注：rosout即表示話題，也表示節點

（3）日志文件：作為/rosout話題回調函數的一部分，由rosout節點生成

• 文件名類似於：~/.ros/log/run_id/rosout.log　　//純文本文件，用less、head、tail等命令查看
• 查看運行標識碼run_id　　//節點管理器開始運行時基於MAC地址和當前時間生成

1. 查看roscore的輸出結果：setting /run_id to run_id
2. 向節點管理器查詢：rosparam get /run_id　　//run_id存放在參數服務器中

檢查日志文件大小：rosclean check

刪除日志文件：rosclean purge

5. 設置日志級別

（1）通過命令行設置：rosservice call /node-name /set_logger_level ros.包名 level　　// level參數包括DEBUG、INFO、WARN、ERROR、FATAL

注：參數ros.包名指定期望配置的日志記錄器logger名稱

（2）通過圖形界面設置：rqt_logger_level

（3）通過C++代碼設置：調用ROS實現日志功能的log4cxx提供的接口  #include<log4cxx/logger.h>

五、計算圖源命名

1. 計算圖源graph resource：節點、話題、服務和參數的統稱，由短字符串表示的計算圖源名稱進行標識

2. 全局名稱：/turtle1/cmd_vel　　//優點：任何地方都可以使用；缺點：需要完整列出其所屬的命名空間

• 由前斜杠"/"作為首字符
• 由斜杠分開一系列命名空間，每個斜杠代表一級命名空間，如turtle1命名空間
• 命名空間用於將相關的計算圖源歸類在一起，ROS允許多層命名空間嵌套
• 最末為基本名稱base name，如cmd_vel

3. 相對名稱　　//利用ROS提供的默認命名空間

（1）典型特征：缺少全局名稱帶有的前斜杠"/"

（2）解析相對名稱：將當前的默認命名空間名稱加在相對名稱之前，生成全局名稱，如 /turtle1 + cmd_vel => /turtle1/cmd_vel

（3）設置默認命名空間：單獨為每個節點設置　　//不設置，則使用全局命名空間"/"作為默認命名空間

• 在啟動文件中使用命名空間ns屬性
• 利用命令行參數 __ns:=default-namespace
• 利用環境變量設置shell：export ROS_NAMESPACE=default-namespace　　//僅當未設置__ns參數時才有效

優點：避免在移植和整合來自不同來源的節點時發生名稱沖突

4. 私有名稱　　//用於節點內部僅與本節點有關的資源，如參數

（1）典型特征：以一個波浪字符（~）開始

（2）與相對名稱一致，不能完全確定自身所在命名空間，需要利用ROS客戶端庫進行名稱解析

（3）不使用當前的默認命名空間，而采用節點名稱作為命名空間，如  /sim1/pubvel + ~max_vel => /sim1/pubvel/max_vel

（4）私有名稱可用於管理節點的服務，話題不能命名為私有名稱

注：私有名稱的關鍵字"private"僅表明不使用所在的命名空間，其他節點可以通過私有名稱解析后的全局名稱進行訪問　　//僅在命名空間層面上有意義，注意與其他編程語言的不同

5. 匿名名稱：非用戶指定的無語義信息的名字

（1）一般用於為節點命名，使節點的命名保存唯一性

（2）調用ros::init方法時請求一個自動分配的唯一名稱

• ros::init(argc, argv, base_name, ros::init_options::AnonymousName);

注：ros::init使用處理器時間在節點的基本名稱后追加文本，保證名字的唯一性

六、啟動文件

1. 目的：利用啟動文件一次性配置和運行多個節點

2. 執行啟動文件：roslaunch 包名 啟動文件名　　//如果沒有運行roscore，roslaunch會自動啟動roscore

（1）如果啟動文件不屬於任何功能包，則可以直接以啟動文件路徑啟動　roslaunch + 啟動文件路徑

（2）啟動文件內的節點幾乎是同一時刻啟動，無法確定啟動順序，因此節點之間應盡量保持獨立

（3）添加-v選項可以輸出詳細信息：roslaunch -v 包名 啟動文件名

（4）查找啟動文件時，roslaunch工具會同時搜索每個功能包目錄的子目錄

3. 啟動文件基本元素

（1）根元素：<launch> ... </launch>

（2）啟動節點：

<node

　　pkg=包名

　　type=可執行文件名

　　name=節點名

/>

• 標簽末尾的斜杠"/"不可少，另一種方式為 <node pkg="..." type="..." name="..."></node>　　//顯式給出結束標簽
• 必需屬性pkg，type，name（會覆蓋ros::init設置的名稱）
• 默認情況下，啟動文件啟動節點的標准輸出被重定向至日志文件~/.ros/log/run_id/node_name-number-stout.log中
• 在節點元素中配置屬性output="screen"可以在控制台終端輸出信息
• 使用--screen 命令行選項在控制台顯式所有節點輸出：roslaunch --screen 包名 啟動文件名

（3）請求復位：respawn="true"　　//當節點停止時，roslaunch會重新啟動該節點，可用於應對軟件崩潰、硬件故障等引起的節點中止

（4）必要節點：required="true"　　//當必要節點中止時，roslaunch會終止所有其他活躍節點，並退出；與respawn作用相互矛盾，不能同時配置

（5）roslaunch所有節點共享一個終端，針對依賴控制台輸入的節點來說，需要維護獨立的終端：使用啟動前綴屬性  launch-prefix="命令行前綴"

• roslaunch啟動節點時調用相應的命令行工具rosrun
• 啟動前綴相當於在rosrun前添加前綴，即示例中的launch-prefix="xterm -e" 等價於 xterm -e rosrun turtlesim turtle_teleop_key

3. 在命名空間內啟動節點　　//通過配置節點元素的ns屬性，壓入命名空間

（1）盡管兩個節點相對名稱相同，但是由於命名空間不同，所以兩個節點相互獨立

（2）由於話題名稱定義時采用的也是相對名稱，所以話題也分別位於獨立的命名空間

4. 名稱重映射remapping names　　//從更精細的層面控制節點名稱的修改

（1）基於替換的思想：每個重映射包含一個原始名稱和一個新名稱，每當節點使用原始名稱時，ROS客戶端庫會將它自動替換為新名稱

（2）創建重映射

• 命令行啟動時，分別給出原始名稱和新名稱　　原始名稱:=新名稱　　//rosrun turtlesim turtlesim_node turtl1/pose:=tim
• 啟動文件中，使用重映射元素：  <remap from="original-name" to "new-name"/>　　//若屬性作為launch元素的子元素出現在頂層，則應用到所有后續節點

　　注：重映射元素也可以作為節點的子元素：<node ...> <remap from="original-name" to "new-name"/> </node>　此時只應用於所在節點

注：

• ROS在應用任何重映射之前，所有的名稱需要先解析為全局名稱
• 應用示例：反向海龜　　//將原始速度話題重映射為處理后的反向速度話題

5. 其他元素

（1）啟動文件的嵌套：include元素

• <include file="啟動文件完整路徑"/>　　//通常使用find命令搜索功能包位置，避免路徑輸入錯誤，如<include file="$(find package-name)/launch-file-name"/>
• 支持命名空間屬性，可以將包含內容壓入指定命名空間：<include file="..." ns="namespace"/>

（2）啟動參數argument：便於配置啟動文件，類似可執行程序中的局部變量（僅在聲明的當前啟動文件內有效，不可被包含的啟動文件繼承）

• 聲明參數：<arg name="arg-name"/>　　//聲明是可選的，有助於明確啟動文件的參數有哪些
• 參數賦值
• 命令行賦值　　roslaunch 包名 啟動文件名 arg-name:=arg-value
• 啟動文件內聲明時賦值

1. 1. <arg name="arg-name" default="arg-value"/>　　//可被命令行參數覆蓋
   2. <arg name="arg-name" value="arg-value"/>　　//不可被命令行參數覆蓋

• 獲取參數值：$(arg arg-name)
• 向包含的次級啟動文件中發送參數值
  • 將arg元素作為include元素的子元素　　<include ...> <arg name="arg-name" value="arg-value"/> </include>
  • 可使用<arg name="arg-name" value="$(arg arg-name)"/> 保證內外同名參數具有相同的參數值

注：在ROS中，parameter和argument是有區別的

• parameter是ROS系統運行過程中使用的數值，存儲在參數服務器parameter server中，可以被節點和用戶獲取（ros::param::get或rosparam）
• argument只在啟動文件內有意義，不能被節點直接獲取

（3）創建組group：大型啟動文件內管理節點的快捷方式

• 把若干節點放入同一命名空間中：<group ns="namespace"> ... </group>
• 可以有條件地啟動或禁用一個節點：<group if="0 or 1"> ... </group>　　//若屬性為1，則正常啟動，否則忽略組標簽內元素；若 if 改為 unless 則用法相反

注：僅有0和1為合法取值，且不能使用布爾運算；也可以不使用組元素，單獨為每個節點設置ns、if和unless

七、參數parameter　　//配置節點信息的集中式方法

1. 主要思想：使用集中的參數服務器維護一個變量集的值（字典），適用於不會隨時間頻繁變更的信息

2. 通過命令行獲取參數

（1）rosparam list　　//查看參數列表，輸出 /rosdistro 等全局計算圖源的名稱字符串

（2）rosparam get parameter_name　　//查詢參數，如 rosparam get /rosdistro 得到ROS版本

（3）rosparam get namespace　　//檢索給定命名空間每個參數的值，如 rosparam get / 查詢全局命名空間/

（4）rosparam set parameter_name parameter_value　　//設置參數，修改已有參數的值或創建新參數

（5）rosparam set namespace values　　//設置同一命名空間的多個參數，其中值values要以YAML字典的形式給出參數和值的對應關系

（6）創建和加載參數文件（YAML形式）　　//可用於場景復現

• rosparam dump filename namespace　　//存儲命名空間中的所有參數
• rosparam load filename namespace　　//讀取參數至參數服務器

　　注：命名空間參數可選，默認為全局命名空間/

注：

• 所有的參數都屬於參數服務器，而不是任何特定節點，即使節點終止時參數仍然存在
• 更新的參數值不會自動“推送”到節點，節點需要主動顯式地向參數服務器查詢參數值

3. 使用C++接口獲取參數　　//參數名可以是全局的、相對的或者私有的

void ros::param::set(parameter_name, input_value);

bool ros::param::get(parameter_name, output_value);　　//讀取成功返回true，否則表明參數還未指定值

注：在命令行中實現私有參數賦值 rosrun agitr pubvel_with_max _max_vel:=1　　//參數max_vel前面添加下划線_前綴  _param-name:=param-value

 4. 在啟動文件中設置參數

（1）<param name="param-name" value="param-value"/>　　//設置參數，參數名是相對名稱

（2）<node ...> <param name="param-name" value="param-value"/>  </node>　　//在節點元素內包含param元素，無論是否以~或/開頭，參數均為節點私有參數

（3）<rosparam command="load" file="path-to-param-file"/>　　//一次性從文件中加載多個參數，等價於rosparam load

注：通常采用 file="$(find package-name)/param-file" 指定文件路徑

 八、服務service

1. 與話題消息的區別

• 服務調用是雙向的
• 服務調用是一對一通信

2. 執行過程：客戶端節點發送請求數據到服務器節點，並且等待回應；服務器節點收到請求后，執行相應活動，隨后發送響應數據給客戶端節點；

3. 與話題內容由消息數據類型確定類似，服務的內容也由服務數據類型決定

4. 從命令行查看和調用服務

（1）rosservice list　　//列出所有服務

（2）服務一般可以划分為兩類：

• 從特定節點獲取或向其傳遞消息　　//通常采用節點名作為命名空間以防止命名沖突，如采用私用名稱的~get_loggers服務和~set_logger_level服務會被解析為/turtlesim/get_logger和/turtlesim/set_logger_level
• 不針對某些特定節點的服務　　//例如/spawn服務用於生成一個新的仿真海龜，盡管由turtlesim節點提供，但是不屬於任何特定節點（只需要完成相應功能，而不關心是哪個節點在起作用）

5. rosnode info node-name　　//查看某個節點的服務類型

6. rosservice node service-name　　//查找提供服務的節點（反向查詢）

7. rosservice info service-name　　//確定服務的數據類型，通常也是由包名和類型名組成“包名/類型名”，如turtlesim/Spawn

8. rossrv show 服務數據類型名　　//獲取服務數據類型的詳細信息（一系列數據域），注意rosservice和rossrv的區別

注：

• 短橫線---之前為請求的數據項，之后的字段為響應項
• 服務的請求和響應字段都可以為空，如turtlesim_node提供的/reset服務的數據類型為std_srvs/Empty，其請求和響應字段均為空

9. rosservice call service-name request-content　　//調用服務，提供請求域的所有值，如rosservice call /spawn 3 3 0 Mikey　在位置(3, 3)處創建一個名為"Mikey"的新海龜，朝向為0

注：

• 新海龜有自己的資源集，且位於新命名空間Mikey中　　//避免命名沖突
• rosservice call的輸出為服務器節點的響應數據，如上例為 name: Mikey　　//調用成功或失敗
• rosservice call /clear 從參數服務器讀取參數值，刷新當前參數

 10. 客戶端程序

（1）聲明請求和響應類型：#include<turtlesim/Spawn.h>　　//包含頭文件，定義turtlesim::Spawn類（服務數據類型）

（2）創建客戶端對象：ros::ServiceClient client = node_handle.serviceClient<service_type>(service_name)　　//服務名稱一般應當為相對名稱，如"spawn"

注：與話題發布者不同，無需緩沖隊列，會阻塞等待直至服務調用完成

（3）創建請求和響應對象　　//上述頭文件中定義了請求和響應的類，通過包名和服務類型引用，如turtlesim::Spawn::

• package_name::service_type::Request　　//請求對象類，應做賦值操作
• package_name::service_type::Response　　//響應對象類，接收服務器響應消息，無需賦值

注：服務類型的頭文件中還定義了一個單獨類package_name::service_type，同時擁有Request和Response作為數據成員；可以定義單獨對象package_name::service_type srv，而不使用獨立的Request和Response對象

（4）調用服務：bool success = service_client.call(request, response)

• 完成定位服務器節點、傳輸請求數據、等待響應和存儲響應數據等一系列工作
• 調用方法返回布爾值來確認調用服務是否成功完成

注：

• 不要忘記對調用返回值進行判斷，可通過ROS_ERROR_STREAM輸出可能的錯誤信息
• 默認情況下，調用返回后，會關閉與服務器的連接；
• 可通過ros::ServiceClient client = node_handle.serviceClient<service_type>(service_name, true)建立持續連接的客戶端　　//提高了節點耦合性，系統魯棒性變差，不建議

11. 服務器程序

（1）編寫回調函數 bool function_name(package_name::service_type::Request &req, package_name::service_type::Response &resp)

注：本例中請求和響應的數據類型均為std_srvs/Empty（空字符串），無需進行數據處理

（2）與話題訂閱者類似，需要創建服務器對象ros::ServiceServer server=node_handle.advertiseService(service_name, pointer_to_callback_function);

• service_name 建議使用局部名稱，但不嚴格限制使用全局名稱
• ros::NodeHandle::advertiseService拒絕接受私有名稱，即以波浪號~開頭的名稱
• 可以利用節點自身的缺省命名空間創建私有名稱服務

1. ros::NodeHandle nhPrivate("~");　　//發送給此節點句柄的任意局部名稱的缺省命名空間與節點名稱一致 （此句柄+相對名稱 效果等價於 私有名稱）
2. ros::ServiceServer server=nhPrivate.advertiseService("baz", Callback);　　//與廣播名為~baz的服務效果相同

注：本例使用ros::spinOnce()而非ros::spin()，原因在於沒有服務調用時還需要執行其他工作，即發布速度指令　　//與第三章 表3.5 進行對比

（3）解決ros::spinOnce() + sleep()引起的延遲問題

1. 采用雙線程：一個負責發布消息，一個負責處理服務器回調
2. 采用ros::spin()，並利用計數器回調函數（timer callback）發布消息　　// http://wiki.ros.org/roscpp/Overview/Timers

 九、消息錄制與回放

1. rosbag：將發布在一個或多個話題上的消息錄制到一個包文件中，可用於事后回放

注：術語包文件bag files指用於存儲帶時間戳的ROS消息的特殊文件格式

2. 命令行工具

（1）錄制包文件：rosbag record -O filename.bag topic-names　　//不指定文件名時，rosbag基於當前的日期和時間自動生成文件名；會創建新節點 /record_...

• rosbag record -a 記錄當前發布的所有話題消息
• rosbag record -j 啟動包文件的壓縮

（2）回放包文件：rosbag play filename.bag　　//保持與原始發布相同的順序和時間間隔

注：盡量避免系統中rosbag和“真實”節點向同一個話題發布消息

（3）檢查文件包：rosbag info filename.bag　　//提供包文件的豐富信息

3. rosbag功能包

（1）rosrun rosbag record -O filename.bag topic-names；rosrun rosbag play filename.bag　　//利用record和play可執行文件

（2）在啟動文件中使用包文件

• 錄制節點：<node pkg="rosbag" name="record" type="record" args='-O filename.bag topic-names"/>
• 回放節點：<node pkg="rosbag" name="play" type="play" args="filename.bag"/>

注：需要提供參數

第十章 總結

1. 在網絡環境中運行ROS：分布式機器人控制模式

（1）網絡層配置：確保計算機之間能夠互相通信

（2）ROS層配置：確保所有節點都能與節點管理器通信

2. 編寫更規范的程序，如使用ros::Timer的回調函數替代ros::Rate對象

3. 使用rviz是數據可視化：訂閱用戶話題以顯示消息

4. 創建消息和服務類型

5. 使用tf工具來管理多個坐標系：幫助節點完成坐標轉換

6. 使用Gazebo仿真：高保真的機器人仿真器