ROS使用总结及ROS2知识

ROS使用总结

1.什么是ROS?

?ROS是机器人操作系统（Robot Operating System）的英文缩写。

?ROS是用于编写机器人软件程序的一种具有高度灵活性的软件架构。它包含了大量工具软件、库代码和约定协议，旨在简化跨机器人平台创建复杂、鲁棒的机器人行为这一过程的难度与复杂度。

?ROS的原型源自斯坦福大学的STanford Artificial Intelligence Robot (STAIR) 和Personal Robotics (PR)项目。

通常这样解释ROS：

? 1. 通道：ROS提供了一种发布-订阅式的通信框架用以简单、快速地构建分布式计算系。

? 2. 工具：ROS提供了大量的工具组合用以配置、启动、自检、调试、可视化、登录、测试、终止分布式计算系统。

? 3. 强大的库：ROS提供了广泛的库文件实现以机动性、操作控制、感知为主的机器人功能。

? 4. 生态系统：ROS的支持与发展依托着一个强大的社区。https://www.360docs.net/doc/c417161630.html,尤其关注兼容性和支持文档，提供了一套“一站式”的方案使得用户得以搜索并学习来自全球开发者数以千计的ROS程序包。

ROS的简单理解：

?ROS不是传统意义上的操作系统，而是一种系统软件框架

?ROS使用面向服务的软件技术，通过网络协议将节点间数据通信解耦。这样可以轻松集成不同语言不同功能的代码。

?ROS不是一种编程语言。

?ROS不仅是一个函数库，除包含客户端外，还包含一个中心服务器、一系列命令工具、图形化界面工具以及编译环境。

2.ROS开发环境搭建

安装参考: https://www.360docs.net/doc/c417161630.html,/cn

（1）sudo rosdep init初始化rosdep，rosdep用于检查和安装软件包的依赖

（2）rosdep update初始化rosdep，在根目录下保存一些文件，文件夹名为.ros

（3）source /opt/ros/kinetic/setup.bash

设置ROS_PACKAGE_PATH等环境变量，ROS根据这些环境变量来定位文件setup.bash还定义了一些ros系统的bash函数，如roscd和rosls等.

（4）测试ROS是否正确安装

roscore

rosrun turtlesim turtlesim_node

rosrun turtlesim turtle_teleop_key

在三个终端分别执行指令

3.ROS的重要概念

ROS有三个层级的概念，分别是：文件系统级、计算图级和开源社区级。

文件系统级：

ROS的内部结构、文件结构和所需的核心文件都在这一层里，理解ROS文件系统是入门ROS的基础。一个ROS程序的结构，是一些按不同功能进行区分的文件夹。一般的文件夹结构是:

Workspace(执行编译工具catkin_make的目录)

-----src(源文件空间文件夹,放各个功能包)

----package.xml + msg + srv + src + scripts

----include + CMakeList.txt + launch

-----build(编译空间文件夹)

-----devel(开发空间文件夹)

计算图级：主要是指进程之间（节点之间）的通信。ROS创建了一个连接所有进程的网络，通过这个网络节点之间完成交互，获取其他节点发布的信息。

开源社区级：主要是指ROS资源的获取和分享。通过独立的网络社区，我们可以共享和获取知识、算法和代码，开源社区的大力支持使得ROS系统得以快速成长

ROS中的重要概念说明

?主节点（master）

主节点（master）负责节点到节点的连接和消息通信，类似于名称服务器（Name Server）。roscore是它的运行命令，当您运行主节点时，可以注册每个节点的名字，并根据需要获取信息。没有主节点，就不能在节点之间建立访问和消息交流（如话题和服务）。主节点使用XML远程过程调用（XMLRPC，XML-Remote Procedure Call）与节点进行通信。XMLRPC是一种基于HTTP的协议，主节点不与连接到主节点的节点保持连接。换句话说，节点只有在需要注册自己的信息或向其他节点发送请求信息时才能访问主节点并获取信息。通常情况下，不检查彼此的连接状态。由于这些特点，ROS 可用于非常大而复杂的环境。XMLRPC也非常轻便，支持多种编程语言，使其非常适合支持各种硬件和语言的ROS。

当启动ROS时，主节点将获取用户设置的ROS_MASTER_URI变量中列出的URI 地址和端口。除非另外设置，默认情况下，URI地址使用当前的本地IP，端口使用11311?节点(Node)

作为ROS系统的核心，节点是用C++或Python（ROS客户端库roscpp、rospy）编写的程序，用来执行任务或进程。

?消息(Message)

节点之间通过消息进行通信，这些消息包含一个节点发送给其他节点的信息数据，消息类型有ROS标准类型和基于标准消息开发的自定义类型两种。

?话题(Topic)

话题消息通信是指发送信息的发布者和接收信息的订阅者以话题消息的形式发送和接收信息。

?功能包（package）

功能包（package）是构成ROS的基本单元。ROS应用程序是以功能包为单位开发的。功能包包括至少一个以上的节点或拥有用于运行其他功能包的节点的配置文件。它还包含功能包所需的所有文件，如用于运行各种进程的ROS依赖库、数据集和配置文件等.

4. 话题通信机制（了解）

在这张图我们可以看出，在ROS中有两个节点分别是Talker和Listener，他们启动顺序没有要求，他们想要建立联系，那么他们分别发布，订阅的话题必须一致。

ROS 通信机制的过程

1) Talker启动，通过1234这个端口使用RPC向节点管理器（ROS Master）注册发布

者的信息，包含所要发布消息的话题名;随后ROS Master会将该节点的注册信息放入注册列表中储存起来，以等待接受此话题的接收者Listener。

2) Listener启动，通过使用TCP向节点管理器（ROS Master）注册接收者的信息，包

括所需订阅的话题名。

3) ROS Master根据Listener所需的订阅话题在注册列表寻找与之匹配的话题，如果没

有找到匹配的发布者，则等待发布者的加入，如果找到可以与之匹配的发布者信息，则可以通过RPC向Listener发送Talker的RPC地址信息。

4) Listener接收到Talker的RPC地址信息，就尝试通过RPC像Talker发送连接许可，

以便于传输订阅的话题名，消息类型以及TCP/UDP。

5) Talker接受到Listener发来的连接请求后，继续通过RPC向Listener确认链接信息，

其中就包括自己的TCP信息

6) Listener接收到确认的消息后，就使用TCP与Talker进行连接

7) 等连接成功后，Talker才向Listener发送话题消息类型

5. ROS的常用命令

ROS常用命令

?roscore ros + core

启动master

?rosrun ros + run

运行节点rosrun imu_com imu_com

?roslaunch ros + launch

运行多个节点及设置运行选项roslaunch pkg launch_filename ?rostopic ros + topic

确认ROS的话题信息rostopic list;

rostopic echo /imu; rostopich hz /imu; rostopic echo imu | grep framed_id;

?rosbag ros + bag记录和回话ROS消息

rosbag record /imu /velodyne_points

?rosmsg ros + msg显示ROS的消息类型

rosmsg show

?catkin_create_pkg自动生成功能包

?catkin_make基于cmake来进行构建

catkin_make是将cmake与make的编译方式做了一个封装的指令工具, 规范了

工作路径与生成文件路径.

6. ROS的工具

三维可视化工具（Rviz)

ROS GUI开发工具（rqt）

CMake编译介绍

1.CMake编译的流程：

CMake指令依据CMakeLists.txt 文件,生成Makefiles/makefiles文件,

make再依据此makefiles文件编译链接生成可执行文件

$mkdir build

$cd build

$cmake ..#生成Makefiles/makefiles

$make#生成可执行文件

$make install #（可选）

注：在ROS中的catkin_make将cmake与make的编译方式做了一个封装的指令工具, 规范了工作路径与生成文件路径.

2.CMake常用语法

1、f ind_library 寻找库

此命令用于查找库。创建名为的缓存条目以存储此命令的结果。如果找到库，则结果存储在变量中，除非清除变量，否则不会重复搜索。

如果找不到任何内容，结果将是 -NOTFOUND，并且下次使用相同变量调用find_library时将再次尝试搜索。

find_library(log-lib log)

寻找log库，存储为log-lib变量。

其它find_也类似

2、target_link_libraries

链接库也就是把当前库和其他库合并

link_libraries 链接静态库通常做导入操作，很少用到

3、add_library

添加库同时是把源码合并生成一个动态库名

通常执行add_library之后调用target_link_libraries

4、include_directories 添加头文件目录

5、add_subdirectory 添加cmake目录

6、set_target_properties 可以把一个静态库变成一个变量

7、target_link_libraries 合并库

8、find_path 查找路径

9、find_package 查找包

10、aux_source_directory(directory varname) 添加多个c++’文件

参数1为目录名，2为变量名，就是把多个东西融合为一个变量，也可以用.融合当前所有。

ROS2的介绍及应用

1.ROS

2.0的架构

?ROS1主要构建于Linux系统之上，一定有很多同学希望在windows或者RTOS上应用ROS开发机器人，原来这个期望是很难实现的，但是ROS2带来了改变，支持构建的系统包括Linux、windows、Mac、RTOS，甚至没有操作系统的裸机。

?ROS1的通讯系统基于TCPROS/UDPROS，强依赖于master节点的处理，可以想像master 一挂，整个系统会面临如何的窘境。但是从右边ROS2的架构中我们可以发现，之前让人耿耿于怀的master终于消失了，ROS2的通讯系统是基于DDS的，同时在ROS2内部提供了DDS的抽象层实现，有了这个抽象层，用户就可以不去关注底层的DDS使用了哪个商家的API。

?ROS中最重要的一个概念就是“节点”，基于发布/订阅模型的节点使用，可以让开发者并行开发低耦合的功能模块，并且便于进行二次复用。

?另外两个很重要的独立模块，那就是“Nodelet”和“Intra-process”。在ROS1的架构中Nodelet和TCPROS/UDPROS是并列的层次，当然也是负责通讯的，实际上Nodelet是为同一个进程中的多个节点提供一种更优化的数据传输方式。ROS2中也保留了这种数据传输方式，只不过换了一个名字，叫“Intra-process”，同样也是独立于DDS。

可以看到，架构的大部分不同都是应为DDS的引入，DDS的全称是Data Distribution Service，即数据分发服务，DDS 的技术核心是以数据为核心的发布订阅模型（Data-Centric Publish-Subscribe ，DCPS），这种DCPS模型创建了一个“全局数据空间”（global data space）的概念，所有独立的应用都可以去访问。在DDS中，每一个发布者或者订阅者都成为参与者（participant），类似于ROS中节点的概念。每一个参与者都可以使用某种定义好的数据类型来读写全局数据空间

2.关于ROS2

1)ROS2的基本概念

ROS是一个用于在不同进程间匿名的发布、订阅、传递信息的中间件。ROS2系统的核心部分是ROS网络(ROS Graph)。ROS网络是指在ROS系统中不同的节点间相互通信的连接关系

2)OS网络(ROS Graph)概念简介

?节点(Nodes)：一个节点是一个利用ROS系统和其他节点通信的实体

?消息(Messages)：ROS中在订阅和发布主题时所用到的数据结构

?主题(Topics): 节点可以发布信息到一个主题，同样也可订阅主题来接收消息

?发现(Discovery): 一个自动运行的进程，通过这个进程不同的节点相互发现，建立连接

3)节点(Nodes)

一个节点就是一个在ROS网络中的参与者。ROS节点通过ROS客户端程序库(ROS client library)来和其他节点进行通信。节点可以发布或者订阅主题节点也可以提供ROS服务(Service)。节点有很多可以配置的相关参数。节点间的连接时通过一个分布式发现进程来建立的（即上面所说的发现）。不同的节点可以在同一个进程里面，也可以在不同的进程里面，甚至可以在不同的机器上。

4)客户端程序库

ROS客户端程序库可以让不同的语言编写的节点进行通信。在不同的编程语言中都有对应的ROS客户端程序库(RCL)，这个程序库实现了ROS的基本API。这样就确保了不同的编程语言的客户端更加容易编写，也保证了其行为更加一致。

下面的客户端程序库是由ROS2团队维护的

rclcpp = C++ 客户端程序库

rclpy = Python 客户端程序库

5)发现

节点之间的互相发现是通过ROS2底层的中间件实现的。过程总结如下

?当一个节点启动后，它会向其他拥有相同ROS域名(ROS domain，可以通过设置ROS_DOMAIN_ID环境变量来设置)的节点进行广播，说明它已经上线。其他节

点在收到广播后返回自己的相关信息，这样节点间的连接就可以建立了，之后就可以通信了。

?节点会定时广播它的信息，这样即使它已经错过了最初的发现过程，它也可以和新上线的节点进行连接。

?节点在下线前它也会广播其他节点自己要下线了。