ROS小车开发需要的ROS基础

3.2 ROS基础

作者：公众号：小白学移动机器人

3.2.1 初见ROS

ROS历史起源是什么？

ROS的总体设计是什么？

ROS的应用框架是怎样的？

总结：ROS就是一个为了提高机器人开发的软件复用率，开发的一款具有独特的通信机制、丰富的开发工具、海量的应用功能、良好的生态系统集的工具。

关于ROS更多细节的东西比较多，可以听课、可以看书，但这里只会讲解一些ROS机器人开发中用到的，以及我认为比较重要的地方。在公众号：小白学移动机器人，发送：ROS，即可获得相关ROS学习资源，以下的文章，希望读者已经具备了最基本的ROS知识。本节下面写的内容，主要是在实际的开发中，需要遇到的最基本问题的解决办法。熟悉的可以直接跳过。

3.2.2 如何新建一个工作空间？

在自己的终端中输入依次执行如下命令

mkdir -p ~/catkin_test_ws/src
cd ~/catkin_test_ws/src                                         #存放功能包的地方
catkin_init_workspace                                           #初始化工作空间
cd ~/catkin_test_ws                                             
catkin_make                                                     #编译工作空间
source devel/setup.bash              							#刷新环境变量，单次有效
echo "source ~/catkin_test_ws/devel/setup.bash" >> ~/.bashrc    #刷新环境变量，永久有效
source ~/.bashrc                                                #执行上面一个语句，需要执行这一句，刷新生效
echo $ROS_PACKAGE_PATH                                          #查看环境变量，确定工作空间存在环境变量

可能出现的错误，echo “source ~/catkin_test_ws/devel/setup.bash” > ~/.bashrc，使用了一个箭头，将.bashrc文件覆盖了,注意上面是两个箭头追加模式。

如果不小心将.bashrc文件覆盖了，可以使用系统中的存储的.bashrc备份文件恢复到~/目录下，执行：

cp  /etc/skel/.bashrc   ~/                                     #/etc/skel是Ubuntu的各种初始配置文件的存放目录

3.2.3 如何调用一个功能包？

这也是调包侠最常用的方式

首先，就是将你需要使用的功能包，从别人的src文件中，复制到你需要使用工作空间下的src文件下
cd ~/catkin_test_ws
catkin_make                                                     #编译工作空间
等待编译完成就可以了
特殊情况：
如果有些功能包需要安装或者需要和库文件一起编译，记得将安装或者将库文件复制到src文件中

3.2.4 如何新建一个功能包？

这也是需要每个人都要会的，连个最基础的功能包都不会写，怎么好意思说学过ROS

cd ~/catkin_test_ws/src                                        #进入存放功能包的地方
catkin_create_pkg test_package std_msgs roscpp rospy           #创建名字为test_package的功能包，添加std_msgs roscpp rospy依赖
cd ~/catkin_test_ws                                            
catkin_make                                                    #编译
source devel/setup.bash              						   #新建功能包刷新环境变量，才能找到功能包
rospack profile                                                #如果还是找不到功能包，使用该命令刷新功能包路径

这里需要注意一点，同一个工作空间下不能存在同名功能包，不同的工作空间下可以存在同名功能包。但是要注意一个问题，ROS运行时会优先选择最前端工作空间的同名功能包。为了避免出现意想不到的问题，所有工作空间尽量不使用同名功能包。

功能包的名称尽量按照a_b_c的格式书写，否则，编译过程将会出现警告。

3.2.5 如何新建一个ROS节点？

接着上面的测试功能包，我们在功能包的src文件下新建test.cpp文件

cd ~/catkin_test_ws/src/test_package/src/
vim test.cpp

然后就是ROS节点的模板程序了，都是在模板程序之上做的修改。

#include "ros/ros.h"                    //引入ROS头文件

int main(int argc,char **argv)
{
	ros::init(argc,argv,"test");        //初始化ROS节点
	
	ros::NodeHandle nh;                 //创建ROS句柄

	ros::Rate loop_rate(10);            //定义循环频率 10HZ

	while(ros::ok())
	{
		std::cout<< "hello ros" <<std::endl;
		loop_rate.sleep();             //按照循环速率延时
	}
	return 0;
}

到这里，然后编译就可以了吗？当然不可以，这个功能包的编译还需要修改对应的CMakeLists.txt文件，一般为三步。

设置需要编译的代码和生成的可执行文件；

设置链接库；

设置依赖；

所以我们修改功能包下的CMakeLists.txt文件，一般功能包会自动生成CMakeLists.txt文件内容，我们进行修改即可。

add_executable(${PROJECT_NAME}_node src/test.cpp)                             #这里注意自动生成的源文件名字一般不对，一定要修改成对的名字
target_link_libraries(${PROJECT_NAME}_node ${catkin_LIBRARIES})
add_dependencies(${PROJECT_NAME}_node ${${PROJECT_NAME}_EXPORTED_TARGETS} ${catkin_EXPORTED_TARGETS})

这里因为我们没有自定义的消息或者服务类型，所以其他的地方不做更改，如果使用了自定义的消息或者服务类型注意修改其他的地方。

好了，保存，开始编译。

cd ~/catkin_test_ws                                            
catkin_make                                                    #编译
此时~/catkin_test_ws/devel/lib/test_package目录下生成了test_package_node的可执行文件

执行功能包。在使用rosrun 执行功能包之前，使用roscore 启动rosmaster。启动rosmaster是启动一切ros节点的前提。

roscore                                                       #启动rosmaster

打开一个新终端启动，test_package 功能包下的 test_package_node 节点。

rosrun test_package test_package_node

终端循环打印hello ros ,一个新的ros节点就创建完成了。

3.2.6 如何在一个ros节点文件中调用其他的源文件？

这个问题很常见，但是他不应该是个问题，但是发现一些小伙伴还是不太会操作。我们在开发的过程中，随着程序的不断扩大，模块化编程肯定必不可少。有时，我们要调用别人写好的特定功能的源文件，这个时候我们应该怎么做呢？

首先，将你需要的源文件复制到你需要编写的功能包的src文件夹下，规范的讲，.hpp文件应该放到include文件下，如果文件比较少，也没有必要，和.cpp文件放在一起也可以。

ros节点源文件只需要添加你复制的文件的头文件就行了，函数自己调用就行了。

CMakeLists.txt文件需要做相应的修改，添加你添加的文件名字，放在ros节点文件后面，如下所示：

add_executable(${PROJECT_NAME}_node src/test.cpp src/test2.cpp src/test3.cpp)  #这里注意自动生成的源文件名字一般不对，一定要修改成对的名字

然后，编译就行了。

3.2.7 如何设置两台机器的分布式通信？

ROS是一种分布式软件框架，节点之间通过松耦合的方式进行组合。

如何设置两台机器的分布式通信呢？

首先，确保两台机器在同一局域网下，查看各自的ip地址。

ifconfig

然后，各自安装ssh，确保ssh 服务，开机自启动。

sudo apt-get install openssh-server                  #安装ssh服务端
sudo service ssh start                               #开启ssh服务
ssh服务开机不会自动启动，需要设置开机自启动
在开机自启动脚本/etc/rc.local加入下面这条命令，注意加入位置是在exit 0这一句之前，加上service ssh start

然后，在两台机器的/etc/hosts文件中，添加对方的ip地址，通过ping命令，互相测试是否连通。

比如在hosts添加 ，对方机器IP 对方机器名

192.168.1.5   对方机器名

ping 对方机器名或者对方机器ip        #ping测试

然后，在从机端的~/.bashrc文件末尾设置ROS_MASTER_URI，确保从机可以找到主机。

export ROS_MASTER_URI=http://主机名称:11311

最后，在从机端 使用ssh 用户名@IP地址，输入密码，连接远程终端。

ssh 主机用户名@主机名

这样从机就也可以启动相关的ros节点，或者使用相关工具获取主机ros节点的数据。

3.2.8 ROS开发常用的工具

launch文件，可以同时启动多个ros节点，可自动启动rosmaster。关于launch的细节，自己学习就好。

TF坐标变换，用来描述机器人系统中繁杂的坐标系。

QT工具箱，用来可视化各个ros节点之间的订阅或者请求关系或者可视化各种话题的数据。常用命令，rqt_graph、rqt_plot，而且还可以动态修改部分参数，

rqt_reconfigure（不常用）。

rviz可视化平台，机器人可视化平台，几乎是最常用的工具。使用rviz命令启动。

Gazebo物理仿真环境，可对机器人进行三维物理仿真。需要仿真的同学常用。

3.2.9 ROS的常用命令

#最常用
roscore                    #启动rosmaster
rosrun  pkg_name node_name #启动ros节点
roslaunch pkg_name launch_files_name #启动launch文件
catkin_make                #编译工作空间
rospack profile            #刷新功能包路径

#环境变量
echo $ROS_PACKAGE_PATH     #打印ros环境变量
export | grep ROS          #确认环境变量已经设置正确
source devel/setup.bash    #刷新环境变量
echo "source ~/catkin_test_ws/devel/setup.bash" >> ~/.bashrc    #刷新环境变量，永久有效
source ~/.bashrc                                                #生效上一句

#功能包
catkin_create_pkg test_package std_msgs roscpp rospy            #创建名字为test_package的功能包，添加std_msgs roscpp rospy依赖
rospack list               #查看软件包列表
rospack find package-name  #定位软件包
roscd package-name         #切换到指定功能包目录

#话题
rostopic list              #输出当前运行的topic列表
rostopic info topic-name   #查看话题信息
rostopic echo topic-name   #输出话题数据
rostopic hz topic-name     #每秒发布的消息数量
rostopic bw topic-name     #每秒发布信息所占的字节量

#工具
rviz                       #启动rviz
rqt_graph                  #可视化节点关系
rqt_plot                   #可视化话题数据
rosrun rqt_tf_tree rqt_tf_tree #查看tf树

#数据记录与播放
rosbag record -a           #录制所有topic到bag文件
rosbag play bag_files_name #播放bag文件

3.2.10 总结

本节文章，主要是针对开发中常见的操作步骤的描述，这里只是对开发中的一些问题进行讲解。对于ROS的细节知识，大家还是需要自己看书或者听课自行学习。

下一章，我们就开始设计我们的机器人并通过urdf文件描述机器人模型了。

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