ROS 编程入门

2.1 创建 ROS 功能包

ROS（Robot Operating System）是一种开源的机器人软件框架，广泛用于机器人开发中。通过使用 ROS，开发者可以轻松创建和管理机器人应用程序。在本节中，我们将介绍如何创建一个 ROS 功能包并实现一些基本功能。

2.1.1 使用 ROS 主题

ROS 主题（Topic）是一种发布/订阅机制，允许节点之间进行通信。每个节点可以发布主题消息或订阅主题消息来获取数据。以下是如何使用 ROS 主题的步骤：

创建功能包

首先，我们需要创建一个新的 ROS 功能包。在终端中运行以下命令：

catkin_create_pkg de_ws my_robot rospy roscpp

此命令创建一个名为 my_robot 的功能包，并声明了对 std_msgs、rospy 和 roscpp 的依赖。

创建发布者节点

接下来，我们在功能包中创建一个发布者节点。新建一个名为 talker.py 的文件，并添加以下内容：

#!/usr/bin/env python

import rospy
from std_msgs.msg import String

def talker():
    pub = rospy.Publisher('chatter', String, queue_size=10)
    rospy.init_node('talker', anonymous=True)
    rate = rospy.Rate(10)  # 10hz
    while not rospy.is_shutdown():
        hello_str = "hello world %s" % rospy.get_time()
        rospy.loginfo(hello_str)
        pub.publish(hello_str)
        rate.sleep()

if __name__ == '__main__':
    try:
        talker()
    except rospy.ROSInterruptException:
        pass

此代码定义了一个发布者节点 talker，它每秒钟发布一条 “hello world” 消息到主题 chatter。

2.1.2 创建 ROS 节点

ROS 节点是 ROS 系统中的基本执行单元。每个节点可以执行一个任务，如传感器数据处理、运动控制等。下面我们创建一个订阅者节点来接收 talker 节点发布的消息。

创建订阅者节点

新建一个名为 listener.py 的文件，并添加以下内容：

#!/usr/bin/env python

import rospy
from std_msgs.msg import String

def callback(data):
    rospy.loginfo(rospy.get_caller_id() + " I heard %s", data.data)

def listener():
    rospy.init_node('listener', anonymous=True)
    rospy.Subscriber('chatter', String, callback)
    rospy.spin()

if __name__ == '__main__':
    listener()

此代码定义了一个订阅者节点 listener，它接收主题 chatter 上的消息并打印出来。

2.1.3 编译节点

在我们运行节点之前，需要编译功能包。确保在功能包的 CMakeLists.txt 和 package.xml 文件中正确配置了依赖项。然后在终端中运行以下命令：

cd ~/catkin_ws
catkin_make

编译完成后，可以运行节点：

roscore
rosrun my_robot talker.py
rosrun my_robot listener.py

此时，你应该可以看到 listener 节点打印出 talker 节点发布的消息。

添加自定义的 .msg 文件和 .srv 文件

在 ROS 中，自定义消息类型和服务类型是很常见的需求。我们可以定义自己的消息和服务文件来满足特定的应用需求。

创建自定义 .msg 文件

首先，在 my_robot 功能包的 msg 目录下创建一个新的消息文件，例如 CustomMessage.msg：

string content
int32 number

然后，在 CMakeLists.txt 文件中添加以下内容：

add_message_files(
  FILES
  CustomMessage.msg
)

在 package.xml 文件中添加依赖：

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

最后，重新编译功能包：

catkin_make

创建自定义 .srv 文件

类似地，我们可以在 srv 目录下创建一个新的服务文件，例如 CustomService.srv：

string request
---
string response

然后，在 CMakeLists.txt 文件中添加以下内容：

add_service_files(
  FILES
  CustomService.srv
)

在 package.xml 文件中添加依赖：

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

重新编译功能包：

catkin_make

2.3 使用 ROS 服务

ROS 服务是一种请求/响应机制，允许节点之间进行同步通信。

2.3.1 使用 ROS actionlib

actionlib 是 ROS 中用于处理长时间运行任务的库。它提供了一种客户端-服务器架构，允许客户端请求服务器执行某些任务，并在任务完成时收到通知。

创建动作服务器

在 my_robot 功能包中创建一个新的 Python 文件 action_server.py：

#!/usr/bin/env python

import rospy
import actionlib
from my_robot.msg import CustomAction, CustomActionFeedback, CustomActionResult

class CustomActionServer(object):
    _feedback = CustomActionFeedback()
    _result = CustomActionResult()

    def __init__(self):
        self._as = actionlib.SimpleActionServer("custom_action", CustomAction, self.execute_cb, False)
        self._as.start()

    def execute_cb(self, goal):
        rospy.loginfo('Executing goal: %s', goal)
        success = True

        for i in range(1, goal.order):
            if self._as.is_preempt_requested():
                rospy.loginfo('Goal preempted')
                self._as.set_preempted()
                success = False
                break
            self._feedback.sequence = i
            self._as.publish_feedback(self._feedback)
            rospy.sleep(1.0)

        if success:
            self._result.sequence = goal.order
            self._as.set_succeeded(self._result)

if __name__ == '__main__':
    rospy.init_node('custom_action_server')
    server = CustomActionServer()
    rospy.spin()

创建动作客户端

在 my_robot 功能包中创建一个新的 Python 文件 action_client.py：

#!/usr/bin/env python

import rospy
import actionlib
from my_robot.msg import CustomAction, CustomActionGoal

def feedback_cb(feedback):
    rospy.loginfo('Feedback: %s', feedback)

if __name__ == '__main__':
    rospy.init_node('custom_action_client')
    client = actionlib.SimpleActionClient('custom_action', CustomAction)
    client.wait_for_server()

    goal = CustomActionGoal()
    goal.order = 10

    client.send_goal(goal, feedback_cb=feedback_cb)
    client.wait_for_result()
    rospy.loginfo('Result: %s', client.get_result())

2.3.2 编译 ROS 动作服务器和客户端

在编译功能包之前，确保在 CMakeLists.txt 和 package.xml 中添加了对 actionlib 和自定义消息的依赖。

然后在终端中运行以下命令：

catkin_make

启动动作服务器和客户端：

rosrun my_robot action_server.py
rosrun my_robot action_client.py

2.4 创建启动文件

启动文件用于同时启动多个 ROS 节点，简化了复杂系统的启动过程。

创建一个新的启动文件 my_robot.launch：

<launch>
  <node pkg="my_robot" type="talker.py" name="talker" output="screen"/>
  <node pkg="my_robot" type="listener.py" name="listener" output="screen"/>
</launch>

运行启动文件：

roslaunch my_robot my_robot.launch

2.5 主题、服务和 actionlib 的应用

在实际应用中，主题、服务和 actionlib 可以结合使用，实现复杂的机器人行为。例如，一个机器人可以通过主题获取传感器数据，通过服务进行路径规划，通过 actionlib 执行长时间的导航任务。

以下是一个综合应用示例：

• 主题用于发布传感器数据。
• 服务用于路径规划。
• actionlib 用于执行导航任务。

2.6 总结

本文介绍了如何创建 ROS 功能包，并使用主题、服务和 actionlib 实现机器人功能。通过这些基础知识，您可以构建复杂的机器人应用程序。

2.7 问题

在学习和使用 ROS 的过程中，可能会遇到以下问题：

• 功能包无法编译：检查依赖是否正确添加。
• 节点无法通信：确保主题和服务名称一致。
• 动作服务器和客户端无法连接：检查 actionlib 配置是否正确。

希望这篇文章能帮助您更好地理解和使用 ROS。如有任何疑问，请随时留言讨论。