第1章 ROS入門

本書的主要目的是教你如何從頭開始構建自主移動機器人。我們將使用機器人操作系統（ , ROS）對機器人進行編程，它的操作將在名為的仿真器上進行模擬。在接下來的章節中，還會介紹機器人的機械設計、電路設計、嵌入式編程并使用ROS進行高級軟件編程。

本章將從ROS基礎知識開始學習，包括如何安裝ROS，如何使用ROS和編寫基礎的應用程序，以及的基礎知識。本章內容是自主機器人項目的基礎。如果你已經了解了ROS的基礎知識，并且已經在系統上安裝了ROS，那么可以跳過這一章。但是，你仍然可以在以后瀏覽這一章來增強對ROS基礎知識的記憶。

本章將涵蓋以下主題：

·對ROS的概述。

·在 16.04.3上安裝ROS 。

·介紹、安裝和測試。

我們開始使用和ROS來對機器人編程吧！

1.1 技術要求

可以從以下鏈接獲得本章中提到的完整代碼：。

1.2 ROS概述

ROS是用于創建機器人應用程序的軟件框架，其主要目的是提供可以用于創建機器人應用程序的功能，創建的應用程序也可以被其他機器人再次使用。ROS由一系列可以簡化機器人軟件開發的軟件工具、軟件庫和軟件包組成。

ROS是BSD()許可的一個完整的開源項目，可用于研究和商業應用。雖然ROS表示機器人操作系統，但它并不是一個真正的操作系統。相反，它是一個提供了真實操作系統功能的元操作系統。以下是ROS提供的主要功能：

·消息傳遞接口：這是ROS的核心功能，它支持進程間通信。使用這種消息傳遞功能，ROS程序可以與其鏈接的系統進行通信并交換數據。下面的章節中，我們將學習更多關于在ROS程序/節點之間交換數據的技術術語。

·硬件抽象：ROS具有一定程度的抽象，使開發人員能夠創建與機器人無關的應用程序。這類應用程序可以用于任何機器人，因此開發人員只需要關心底層的機器人硬件。

·軟件包管理：把ROS節點以軟件包形式組織在一起，則稱為ROS軟件包。ROS軟件包由源代碼、配置文件、構建文件等組成。我們可以創建包、構建包和安裝包。ROS中有一個構建系統，可以幫助構建這些軟件包。ROS的軟件包管理使ROS的開發更加系統化和組織化。

·第三方軟件庫集成：ROS框架可與許多第三方軟件庫集成，如、PCL、等。這有助于開發者在ROS中創建各種各樣的應用程序。

·底層設備控制：使用機器人工作時，也可能需要使用底層設備，例如控制I/O引腳、通過串口發送數據等設備。這也可以使用ROS完成。

·分布式計算：處理來自機器人傳感器的數據所需的計算量非常大。使用ROS可以輕松地將計算分配到計算節點集群中。分配計算能力使處理數據的速度比使用單個計算機更快。

·代碼復用：ROS的主要目標是實現代碼復用。代碼復用促進了全球研發團隊的發展。ROS的可執行文件叫作節點。這些可執行文件被打包成一個實體，叫作ROS軟件包。一批軟件包集合叫作元軟件包，軟件包和元軟件包都可以共享和分發。

·語言獨立性：ROS框架可以使用當前流行的編程語言（如、C++和Lisp）。節點可以用任何一種語言來編寫，并且可以通過ROS框架進行無障礙通信。

·測試簡單：ROS有一個內置的單元/集成測試框架，用于測試ROS軟件包。

·擴展：ROS可以擴展到機器人中執行復雜的計算。

·免費且開源：ROS的源代碼是開放的，并且是完全免費的。ROS的核心部分，經BSD（ ）協議許可，可以在商業領域和不開源的產品上復用。

ROS是管道（消息傳遞）、開發工具、應用功能和生態系統的組合。ROS中有強大的開發工具，可以調試和可視化機器人數據。ROS具有內置的機器人應用功能，如機器人導航、定位、繪圖、操作等。它們有助于創建強大的機器人應用程序。

圖1-1顯示了ROS的組成。

圖1-1 ROS的組成

更多有關ROS的信息，請參考。

1.2.1 ROS框架

ROS框架主要分成三個層級：

·ROS文件系統。

·ROS計算圖。

·ROS社區。

ROS文件系統

ROS的文件系統主要介紹了硬盤上ROS文件的組織形式。其中，我們必須了解的主要有以下幾個方面：

·軟件包（）：ROS軟件包是ROS軟件框架的獨立單元。ROS軟件包可能包含源代碼、第三方軟件庫、配置文件等。ROS軟件包可以復用和共享。

·軟件包清單（ ）：清單文件（.xml）列出了軟件包的所有詳細信息，包括名稱、描述、許可信息以及最重要的依賴關系。

·消息（msg）類型：消息的描述存儲在軟件包的msg文件夾下。ROS消息是一組通過ROS的消息傳遞系統進行數據發送的數據結構。消息的定義存儲在擴展名為.msg的文件里。

·服務（srv）類型：服務的描述使用擴展名.srv存儲在srv文件夾下。該文件定義了ROS內服務請求和響應的數據結構。

ROS計算圖

ROS的計算圖是ROS處理數據的一種點對點的網絡形式。ROS計算圖中的基本功能包括節點、ROS控制器、參數服務器、消息和服務：

·節點（Node）：ROS節點是使用ROS功能處理數據的進程。節點的基本功能是計算。例如，節點可以對激光掃描儀數據進行處理，以檢查是否存在碰撞。ROS節點的編寫需要ROS客戶端庫文件（如和）的支持，這將在下一節中討論。

·ROS控制器（）：ROS節點可以通過名為ROS控制器的程序相互連接。此程序提供計算圖其他節點的名稱、注冊和查找信息。如果不運行這個控制器，節點之間將無法相互連接和發送消息。

·參數服務器（ ）：ROS參數是靜態值，存儲在叫作參數服務器的全局位置。所有節點都可以從參數服務器訪問這些值。我們甚至可以將參數服務器的范圍設置為以訪問單個節點，或者設置為以訪問所有節點。

·ROS主題（）：ROS節點使用命名總線（叫作ROS主題）彼此通信。數據以消息的形式流經主題。通過主題發送消息稱為發布，通過主題接收數據稱為訂閱。

·消息（）：ROS消息是一種數據類型，可以由基本數據類型（如整型、浮點型、布爾類型等）組成。ROS消息流經ROS主題。一個主題一次只能發送/接收一種類型的消息。我們可以創建自己的消息定義并通過主題發送它。

·服務（）：我們看到使用ROS主題的發布/訂閱模型是一種非常靈活的通信模式，這是一種一對多的通信模式，意味著一個主題可以被任意數量的節點訂閱。在某些情況下，可能還需要一種請求/應答類型的交互方式，它可以用于分布式系統。這種交互方式可以使用ROS服務實現。ROS服務的工作方式與ROS主題類似，因為它們都有消息類型定義。使用該消息定義可以將服務請求發送到另一個提供該服務的節點。服務的結果將作為應答發送。該節點必須等待，直到從另一個節點接收到結果。

·ROS消息記錄包（Bag）：這是一種用于保存和回放ROS主題的文件格式。ROS消息記錄包是記錄傳感器數據和處理數據的重要工具。這些包之后可以用于離線測試算法。

圖1-2顯示了在節點和控制器之間，ROS主題和ROS服務的工作流程。

圖1-2 ROS節點和ROS控制器之間的通信

從圖1-2可以看到，ROS控制器位于兩個ROS節點之間。我們必須記住的一件事是，在啟動ROS中的任何節點之前，應該先啟動ROS控制器。ROS控制器充當節點之間的中介，以交換關于其他ROS節點的信息，從而建立通信。假設節點1希望發布名為/xyz的主題，消息類型為abc。它將首先接近ROS控制器，說：“我將發布一個名為/xyz的主題，消息類型為abc，并共享其細節。”當另一個節點，比如節點2，希望訂閱消息類型為abc的相同主題/xyz時，控制器將共享關于節點1的信息，并分配一個端口來直接在這兩個節點之間啟動通信，而不需要與ROS控制器通信。

ROS服務的工作方式與之類似。ROS控制器類似DNS服務器，當第二個節點向第一個節點請求主題或服務時，它可以共享節點的詳細信息。ROS使用的通信協議是()，它使用的是標準TCP/IP套接字。

ROS社區

ROS社區由ROS開發人員和研究人員組成，他們可以創建和維護軟件包，并交換現有軟件包、新發布的軟件包和其他與ROS框架相關的新信息。ROS社區提供以下服務：

·發行版本（）：ROS發行版有一組特定版本的軟件包。本書中使用的發行版是ROS 。還有其他可用的版本，比如ROS 和，它們有一個可以安裝的特定版本。在每個發行版中維護軟件包更容易。在大多數情況下，發行版中的軟件包相對穩定。

·資源庫（）：在線資源庫是保存軟件包的地方。通常，開發人員在資源庫中保存一組類似的軟件包，稱為元軟件包。還可以將單個軟件包保存在獨立資源庫中。我們可以簡單地復制資源庫并構建或復用軟件包。

·ROS wiki：從ROS wiki幾乎可以獲得所有ROS文檔。通過使用ROS wiki()，可以從最基本的概念到最高級的編程來了解ROS。

·郵件列表（ List）：如果想獲得有關ROS的更新消息，可以訂閱ROS郵件列表（）。還可以從ROS ()獲得最新的ROS消息。

·ROS應答：這與 網站非常相似。你可以在這個門戶中提出與ROS相關的問題，并且可能會得到來自世界各地開發人員的幫助（）。

可以從ROS的官方網站上了解關于ROS的其他功能。現在，我們繼續介紹ROS的安裝過程。

1.2.2 在上安裝ROS

根據前面的討論，我們了解到ROS是元操作系統，需要安裝在主機系統上。ROS完全支持和，但對于和OS X的支持還處于實驗階段。表1-1列出了一些最新的ROS發行版本。

表1-1 ROS發行版本

下面我們將介紹在 16.04.3 LTS上安裝名為的ROS長期穩定支持（Long-Term , LTS）的發行版的過程。ROS Kame主要針對的是 16.04 LTS。在查看了以下說明之后，還可以在 18.04 LTS上最新的LTS 中找到設置ROS的說明。如果你是或OS X用戶，那么可以先在虛擬機（）上安裝，然后再安裝ROS。的下載鏈接為。

你可以在上找到完整的操作說明。

安裝說明如下：

（1）配置資源庫，允許、和下載權限。可以用中的 & 工具進行配置。我們可以直接在 查找菜單下進行簡單搜索，然后按圖1-3所示勾選選項。

圖1-3 的 & 工具

（2）將系統設置為從接收ROS軟件包。ROS 版本僅支持 15.10和16.04。使用下面的命令將存儲到的apt庫列表：

（3）接下來，添加apt-key。apt-key用于管理密鑰列表，apt通過密鑰對軟件包進行認證。經過這些密鑰認證的軟件包將被認為是可信的。使用下面的命令可以將apt-key添加到ROS軟件包：

（4）添加了apt-key之后，必須更新軟件包列表。使用下面的命令添加并更新ROS軟件包和軟件包：

（5）更新了ROS軟件包之后，就可以開始安裝軟件包了。使用下面的命令安裝ROS必需的軟件包、開發工具和軟件庫：

（6）在桌面安裝完成之后，可能還需要安裝一些附加的軟件包。每個附加安裝的軟件包在書中后續對應的部分都會提到。安裝桌面需要花費一些時間。在ROS安裝完成之后，就已經完成了大部分工作。下一步就是初始化，有了它就可以很容易地安裝ROS資源包的依賴項：

（7）為了在當前的bash 下使用ROS工具和命令，可以在.文件中添加ROS環境變量。這將會在每個bash會話開始時執行。使用下面的命令添加ROS環境變量到.文件：

下面的命令將在當前下運行.腳本，并在當前下產生變化：

（8）在安裝軟件包的依賴項時有一個很好用的工具，這個工具需要單獨安裝。它僅需要一個命令就可以幫助你下載到很多ROS軟件包的資源樹：

最新的LTS 的安裝過程類似于前面的過程。可以同時安裝 18.04 LTS和。你可以在上找到完整的說明。

在完成ROS的安裝之后，我們將討論如何在ROS中創建示例軟件包。在創建軟件包之前，先要建立ROS工作區，然后在ROS工作區中創建軟件包。我們將采用構建系統，是一系列工具的集合，用于在ROS中創建軟件包。構建系統能夠從源代碼生成可執行文件或共享庫。ROS 使用構建系統來創建軟件包。下面，我們先來看看是什么。

1.2.3 什么是

是ROS的官方編譯構建系統。在之前，ROS用系統來構建軟件包。在最新版本的ROS中，代替了。結合了宏命令和腳本來提供和同樣的通用工作流程。提供了比系統更好的軟件包發布功能、更好的交叉編譯功能以及更好的可移植性。有關的更多信息，可以參考/。

工作區是一個文件夾，可以在其中對軟件包進行修改、構建以及安裝。

現在，我們來看如何創建ROS的工作區。

使用下面的命令創建名為的父目錄和名為src的子文件夾：

使用下面的命令將目錄切換到src文件夾。我們將在src文件夾中創建軟件包：

使用下面的命令初始化工作區：

在完成工作區初始化之后，使用下面的命令能夠直接（即使在沒有源文件的情況下）構建軟件包：

命令用于在src目錄中構建軟件包。構建軟件包之后，在目錄下可以看到一個文件夾和一個文件夾。可執行文件存儲在文件夾中。在文件夾中，有可以在ROS環境下添加工作區的腳本文件。

1.2.4 創建ROS軟件包

在本節中，我們將介紹如何創建包含兩個節點的示例軟件包。其中一個節點用于在名為/的主題上發布 字符串消息，另一個節點訂閱該主題。

在ROS中使用命令可以創建 ROS軟件包。

軟件包會在src文件夾中創建，這個文件夾是我們在創建工作區的過程中創建的。在創建軟件包之前，使用下面的命令先切換到src文件夾：

使用下面的命令創建包及依賴項，該依賴項包含標準的消息定義。ROS的客戶端庫是：

在軟件包成功創建后，會返回以下信息：

在包成功創建之后，需要添加兩個節點或腳本，用于演示主題的訂閱和發布。

首先，使用下面的命令在包中創建名為的文件夾：

切換到文件夾，并創建名為r.py和er.py的腳本，用于發布和訂閱 消息。下面將介紹這些腳本或節點的代碼和函數。

r.py

節點r.py主要發布歡迎信息 到主題/中，發布頻率為10Hz。

圖1-4顯示了兩個ROS節點之間的相互作用。

圖1-4 發布者和訂閱者節點之間的通信

本書的完整代碼還可在獲得。

此節點代碼的分步解釋如下：

（1）如果要編寫ROS 節點，則需要導入。它包含的API，可以與ROS的主題、服務等相互作用。

（2）要從包中導入消息數據類型才能發送 消息。包對標準的數據類型有一個消息定義。使用下面的命令進行導入：

（3）下面的代碼創建了主題的一個發布對象。消息類型是，的值為10。如果設置的訂閱頻率太低導致來不及接收數據，可以調整選項：

（4）下面這行代碼對所有ROS節點進行初始化，并給每個節點命名。如果運行過程中兩個節點有相同的節點名稱，那么其中一個將會關閉。如果想要同時運行這兩個節點，可以如下使用=True標志：

（5）下面這行代碼創建速率對象r。在對象Rate中使用()方法，可以更新設定的循環速率。這里，我們設定速率為10：

（6）下面的循環將檢查是否構建了.()標志。接下來，執行這個循環。按下＜Ctrl+C＞時，循環退出。

在循環內部，消息 會被打印在終端上，并同時以10Hz的速率發布在主題上：

（7）下面的代碼對的進行檢查并調用()函數。代碼將持續執行()，當按下＜Ctrl+C＞時，節點將關閉：

在發布主題之后智能系統與技術指導書，教你零基礎動手創建自主移動機器人，我們將介紹如何訂閱主題。接下來的部分介紹訂閱主題的相關代碼。

er.py

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