ROS系统基本功能的使用详解
一、创建工作空间二、创建与编译ROS功能包三、ROS的基本命令3.1 节点3.2 主题3.3 服务3.4 参数服务器
四、节点的创建与运行4.1 创建源文件4.2 修改CMakeLists.txt4.3 编译节点4.4 运行节点
五、服务的创建与使用5.1 创建msg文件5.2 创建srv文件5.3 创建.cpp源文件5.4 测试程序
六、启动文件的配置6.1 创建.launch文件6.2 启动节点
七、动态参数的使用7.1 创建配置文件7.2 修改CMakeLists.txt添加配置文件的编译7.3 创建节点7.4 修改CMakeLists.txt添加节点的编译7.5 运行配置
一、创建工作空间
1. 新建文件夹 新建一个catkin_ws的文件夹，并在里面创建src子目录。
mkdir -p ~/dev/catkin_ws/src
cd ~/dev/catkin_ws/src
2. 初始化工作空间 在刚创建的src子目录中，使用如下命令创建工作空间，但此时工作空间中还没有任何功能包，只有CMakeLists.txt。
catkin_init_workspace
3. 编译工作空间 回到工作空间的顶层目录catkin_ws文件夹中，使用catkin_make命令执行编译。编译完成后使用ll指令可以看到生成了build和devel两个文件夹。
cd ..
catkin_make
4. 完成配置 重新加载setup.bash文件，完成工作空间创建的最后一步配置
source devel/setup.bash
其实如果你在~/.bashrc中加入了此命令行，就可以通过重启终端得到同样的效果，添加命令如下，其中noetic是我的ros系统的版本号，如果你的版本不同，务必更改。
echo "source /opt/ros/noetic/setup.bash" >> ~/.bashrc
二、创建与编译ROS功能包
1. 创建功能包 功能包可以通过手动方式创建，但为了方便，通常会使用catkin_create_pkg命令创建功能包，此命令的格式如下
catkin_create_pkg [package_name] [depend1] [depend2] [depend3]
其中的depend依赖项包括：
std_msgs：包含常见的消息类型，表示基本数据类型和其他基本的消息构造。roscpp：使用C++编写ROS的各种功能。
例：
cd ~dev/catkin_ws/src
catkin_create_pkg test_package std_msgs roscpp
2. 编译功能包 回到catkin_ws文件夹下执行编译操作，如果没有报错，则说明功能包编译成功。
cd ..
catkin_make
三、ROS的基本命令
3.1 节点
1. rosnode指令 rosnode工具可以打印ROS节点的相关信息，具体命令如下：
rosnode指令作用rosnode ping NODE测试节点的连通性rosnode list列出活动节点rosnode info NODE输出此节点的信息rosnode machine打印运行在特定计算机中的节点rosnode kill NODE结束节点进程rosnode cleanup将无法访问的节点的注册信息清除
2. 运行节点 首先使用roscore指令启动ros程序，然后再打开一个新的终端窗口执行接下来的操作。
我们可以使用rosrun指令运行一个节点
例：
rosrun turtlesim turtlesim_node
节点成功运行后再次使用rosnode list可以看到正在运行的节点，使用rosnode info /turtlesim可以查看此节点的详细信息，包括发布（Publications）、订阅（Subscriptions）以及节点具有的服务（Services）等。
3.2 主题
1. rostopic指令 节点可以通过发布主题和订阅主题实现数据的传输，通过主题的消息传输不需要节点直接连接，一个主题可以有多个订阅者和多个发布者。要实现主题与节点之间的交互，可以使用rostopic指令。
rostopic指令作用rostopic bw TOPIC显示主题所用的带宽rostopic echo TOPIC将主题的消息输出到屏幕rostopic find TOPIC查找主题rostopic hz TOPIC显示主题发布频率rostopic info TOPIC输出主题详细信息rostopic list TOPIC列出活动主题rostopic pubs TOPIC将数据发布到主题rostopic type TOPIC输出主题的类型
2. 发布主题 可以通过rostopic list列出当前节点的主题。通过echo参数可以打印节点发出的消息，如：rostopic echo /turtle1/cmd_vel。
此外，我们也可以直接通过rostopic pub发布主题，如下：
例：
rostopic pub -r 10 /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/Twist -r 1 -- '{linear: {x: 1, y: 0, z: 0}, angular: {x: 0, y: 0, z: 1}}'
3.3 服务
1. rosservice指令 服务是节点之间相互通信的另一种方法，服务允许节点发送请求和接受响应。可以使用rosservice指令操作服务。
roservice args /service：输出服务参数rosservice call /service：根据命令行参数调用服务rosservice find msgtype：根据服务类型查询服务rosservice info /service：输出服务信息rosservice list：列出活动服务清单rosservice type /service：输出服务类型rosservice uri /service：输出ROSRPC URI服务
2. 服务的使用 使用rosservice list可以列出所有的服务，使用rosservice call [service] [args]可以调用某个服务，例如rosservice call /clear可以清除海龟图上的线条。
此外，使用rossrv show turtlesim/Spawn可以查看/spawn服务的详细参数。 通过这些参数就可以调用/spawn服务创建第二只海龟。
rosservice call /spawn 3 3 0.5 "new_turtle"
3.4 参数服务器
1. rosparam指令 参数服务器存储了所有节点都可以访问的共享数据，可以通过rosparam指令管理参数服务器。
rosparam指令作用rosparam set parameter value设置参数值rosparam get parameter获取参数值rosparam load file从文件加载参数rosparam dump file将参数保存至文件rosparam delete parameter删除参数rosparam list列出所有参数名
2. 使用参数服务器 以小海龟程序为例，通过rosparam list列出参数列表，可以看到背景background是turtlesim节点的参数，因此我们可以通过get指令获取参数值。
rosparam list
rosparam get /turtlesim/background_g
rosparam set /turtlesim/background_g 200
四、节点的创建与运行
这一部分会以一个具体实验为例，通过创建一个talker和一个listener并实现两者之间的信息交流，进而介绍创建节点的方法。
4.1 创建源文件
首先进入工作空间~/dev/catkin_ws文件夹中的功能包test_package/src/文件夹中，在这里创建两个cpp文件，分别作为消息的发送方和接收方。在这里我讲两个源文件分别命名talker.cpp和listener.cpp。
//talker.cpp
#include "ros/ros.h" //包含ros节点的必要文件
#include "std_msgs/String.h" //包含要使用的消息类型
#include
int main(int argc, char **argv){
ros::init(argc, argv, "talker"); //初始化节点并设置名称，所有ROS节点必须有这句
ros::NodeHandle n; //创建NodeHandle对象，用来与ROS系统通讯
ros::Publisher chatter_pub = n.advertise
//创建一个主题发布者，并设置主题名称为message，缓冲区1000个消息
ros::Rate loop_rate(10); //数据发送频率10HZ
while(ros::ok()){ //ctrl+c时返回0
std_msgs::String msg; //创建一个字符串的消息
std::stringstream ss; //定义一个字符串
ss << "I'm talker node~~~";
msg.data = ss.str(); //将字符串赋值给消息
ROS_INFO("%s", msg.data.c_str()); //屏幕输出消息信息
chatter_pub.publish(msg); //发布消息
ros::spinOnce(); //如果有订阅者出现，就会更新所有主题
loop_rate.sleep(); //提供延时，保证10HZ的发布频率
}
return 0;
}
//listener.cpp
#include "ros/ros.h"
#include "std_msgs/String.h"
//回调函数，节点每收到一条消息都会调用此函数
void messageCallback(const std_msgs::String::ConstPtr& msg){
ROS_INFO("I am listener, I heard: [%s]",msg->data.c_str());
}
int main(int argc, char **argv){
ros::init(argc, argv, "listener");
ros::NodeHandle n;
ros::Subscriber sub = n.subscribe("message", 1000, messageCallback);
//创建一个订阅者，从message主题获取消息，设置缓冲区1000个消息，处理消息的回调函数为messageCallback
ros::spin(); //消息回调处理，调用后不再返回
return 0;
}
4.2 修改CMakeLists.txt
编辑catkin_ws/src/test_package/中的CMakeLists.txt，在最后加入如下的内容。
#include_directories(
include
${catkin_INCLUDE_DIRS}
)
# 指定编译后可执行文件的名称
add_executable(talker src/talker.cpp)
add_executable(listener src/listener.cpp)
# 定义目标的依赖文件
add_dependencies(talker test_package_generate_messages_cpp)
add_dependencies(listener test_package_generate_messages_cpp)
target_link_libraries(talker ${catkin_LIBRARIES})
target_link_libraries(listener ${catkin_LIBRARIES})
4.3 编译节点
回到工作空间根目录进行编译：
cd ~/dev/catkin_ws
catkin_make
如果出现The dependency target does not exist.的错误，将CMakeLists.txt开头的cmake版本改为2.8.3即可。
编译完成后需要设置环境变量
echo "source ~/ros/tr3_6/devel/setup.bash" >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc
4.4 运行节点
然后开始运行节点，首先运行roscore
roscore
然后再打开两个窗口分别运行
rosrun test_package example1_a
rosrun test_package example1_b
可以看到消息的接受和发送。
五、服务的创建与使用
本节将创建两个节点，分别作为服务器和客户端，通过服务的调用实现两个节点的数据传输，并实现数字求和的功能。
5.1 创建msg文件
使用服务之前，首先需要创建msg和srv文件，它们用于说明传输的数据类型和数据值。 1. 首先创建msg文件 在test_package功能包下创建msg文件夹，并在msg文件夹中创建一个新的文件test_msg.msg。在文件中输入以下内容：
int32 num1
int32 num2
int32 num3
2. 编辑package.xml文件 在package.xml文件中找到下面两行，取消这两行的注释
3. 编辑CMakeLists.txt文件 打开功能包目录下的CMakeLists.txt文件。
找到find_package()，在其中加入message_generation如下：
find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS
roscpp
std_msgs
message_generation
)
找到如下的两段，取消注释，并将刚才创建的test_message.msg消息名称加入其中
## Generate messages in the 'msg' folder
add_message_files(
FILES
test_msg.msg
)
## Generate added messages and services with any dependencies listed here
generate_messages(
DEPENDENCIES
std_msgs
)
4. 编译测试 进行完以上的步骤后，使用下面的命令进行编译：
cd ~/dev/catkin_ws/
catkin_make
编译完成后，要检查刚才创建的msg文件是否成功编译，使用rosmsg show指令：
rosmsg show test_package/test_msg
如果输出内容与test_msg.msg文件内的内容一致，说明编译正确。
5.2 创建srv文件
1. 创建srv文件 在test_package功能包下创建srv文件夹，并在srv文件夹中创建一个新的文件test_srv.srv。在文件中输入以下内容：
int32 num1
int32 num2
int32 num3
---
int32 sum
2. 编辑package.xml文件 在创建msg文件时已经完成了package.xml文件的编辑，这里不需要额外的修改。
3. 编辑CMakeLists.txt 找到catkin_package，将其注释取消，并加入正确的数据如下：
catkin_package(
# INCLUDE_DIRS include
# LIBRARIES test_package
# CATKIN_DEPENDS roscpp std_msgs
# DEPENDS system_lib
CATKIN_DEPENDS message_runtime
)
取消add_service_files的注释，并添加刚创建的服务文件的名字。
## Generate services in the 'srv' folder
add_service_files(
FILES
test_srv.srv
)
4. 编译测试 完成上面的文件创建和修改后，使用下面的命令进行编译：
cd ~/dev/catkin_ws
catkin_make
编译完成后，要检测服务文件编译是否正确，可以使用rossrv show指令：
rossrv show test_package/test_srv.srv
如果打印内容与test_srv.srv文件内的内容一致，说明编译正确。
5.3 创建.cpp源文件
1. 创建源文件 在功能包文件夹中的src目录下catkin_ws/test_package/src，创建两个.cpp文件，分别为server.cpp和client.cpp，分别作为服务器和客户端。
#include "ros/ros.h"
#include "test_package/test_srv.h" //包含创建的srv文件
//对三个变量求和，并将计算结果发送给其他节点
bool add(test_package::test_srv::Request &req, test_package::test_srv::Response &res){
res.sum = req.num1 + req.num2 + req.num3;
ROS_INFO("request: num1=%ld, num2=%ld, num3=%ld", (int)req.num1, (int)req.num2, (int)req.num3);
ROS_INFO("sending back response: [%ld]", (int)res.sum);
return true;
}
int main(int argc, char **argv){
ros::init(argc, argv, "add_3_ints_server");
ros::NodeHandle n;
//创建服务"add_3_ints"的服务端，并在ROS中广播
ros::ServiceServer service = n.advertiseService("add_3_ints", add);
ROS_INFO("Ready to add 3 ints!");
ros::spin();
return 0;
}
#include "ros/ros.h"
#include "test_package/test_srv.h"
#include
int main(int argc, char **argv){
ros::init(argc, argv, "add_3_ints_client");
if(argc != 4){
ROS_INFO("usage: add_3_ints_client num1 num2 num3");
return 1;
}
ros::NodeHandle n;
//以"add_3_ints"为名称创建客户端
ros::ServiceClient client = n.serviceClient
//创建srv文件的一个实例，并在其中加入需要发送的数据值
test_package::test_srv srv;
srv.request.num1 = atoll(argv[1]);
srv.request.num2 = atoll(argv[2]);
srv.request.num3 = atoll(argv[3]);
//调用服务并发送数据，如果调用成功，服务端会返回true，否则返回false
if(client.call(srv)){
ROS_INFO("Sum: %ld", (long int)srv.response.sum);
}
else{
ROS_ERROR("Failed to call service add_3_ints");
return 1;
}
return 0;
}
2. 编辑CMakeLists.txt
add_executable(server src/server.cpp)
add_executable(client src/client.cpp)
add_dependencies(server test_package_generate_messages_cpp)
add_dependencies(client test_package_generate_messages_cpp)
target_link_libraries(server ${catkin_LIBRARIES})
target_link_libraries(client ${catkin_LIBRARIES})
5.4 测试程序
回到catkin_ws工作空间中，进行编译。
cd ~/dev/catkin_ws
catkin_make
编译完成后，先打开一个终端，运行roscore，然后再打开两个新终端窗口，分别运行如下代码
rosrun test_package server
rosrun test_package client 6 4 2
可以看到服务端和客户端实现了消息的通信，完成了三个数字的求和计算。
六、启动文件的配置
在前面，我们已经实现了节点的创建和使用，但是每个节点都需要打开不同的命令行窗口执行，如果节点数目更多，那么启动节点将会是一件非常麻烦的事情。
通过启动文件我们可以在命令行窗口实现启动多个节点，只需要运行后缀名为.launch的文件即可启动多个节点。
6.1 创建.launch文件
首先在功能包内创建一个名为launch的文件夹，并在其中创建test.launch文件。
roscd test_package
mkdir launch
cd launch
vim test.launch
在test.launch文件内输入如下内容：
6.2 启动节点
上面编写的启动文件可以启动前文实验的talker和listener两个节点，启动命令如下：
roslaunch test_package test.launch
系统会输出以下信息，说明启动成功。 使用rosnode list可以列出活动的节点，可以看到我们已经成功启动了talker和listener两个节点。 如果想看到两个节点传递的信息，可以使用rqt_console
七、动态参数的使用
一般情况下，我们编写一个节点时，只能以数据初始化节点内的变量，如果我们想要改变这些变量值，可以使用主题，服务或参数服务器，但这种方式无法在线动态更新，如果listener不主动查询，我们无法知道参数是否更新。有时我们需要在线动态更新参数，这时就需要使用动态参数。
7.1 创建配置文件
首先在功能包内新建一个名为cfg的文件夹，并在其内创建一个test.cfg文件。
roscd test_package
mkdir cfg
cd cfg
vim test.cfg
在test.cfg内添加如下代码：
# 初始化ROS并导入参数生成器
#!/usr/bin/env python
PACKAGE = "test_package"
from dynamic_reconfigure.parameter_generator_catkin import *
# 初始化参数生成器，通过gen我们可以添加参数
gen = ParameterGenerator()
# 加入不同的参数类型并设置默认值、描述、取值范围等
# gen.add(name, type, level, description, default, min, max)
gen.add("double_param", double_t, 0, "A double parameter", .1, 0, 1)
gen.add("str_param", str_t, 0, "A string parameter", "test_default_string")
gen.add("int_param", int_t, 0, "An Integer parameter", 1, 0, 100)
gen.add("bool_param", bool_t, 0, "A Boolean parameter", True)
size_enum = gen.enum([gen.const("Low", int_t, 0, "Low is 0"), gen.const("Medium", int_t, 1, "Medium is 1"), gen.const("High", int_t, 2, "High is 2"), gen.const("Exlarge", int_t, 3, "Exlarge is 3")], "Select from the list")
gen.add("size", int_t, 0, "Select from the list", 1, 0, 3, edit_method=size_enum)
# 生成必要的文件并退出程序
exit(gen.generate(PACKAGE, "test_package", "test_"))
由于test.cfg是由ROS执行的可执行文件，因此我们需要改变文件权限：
chmod a+x test.cfg
7.2 修改CMakeLists.txt添加配置文件的编译
打开CMakeLists.txt，找到find_package，在最后加入dynamic_reconfigure如下：
find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS
roscpp
std_msgs
message_generation
dynamic_reconfigure
)
找到generate_dynamic_reconfigure_options，取消注释，并将内部的配置文件改为刚创建的配置文件。
## Generate dynamic reconfigure parameters in the 'cfg' folder
generate_dynamic_reconfigure_options(
cfg/test.cfg
)
7.3 创建节点
接下来需要创建一个具有动态配置支持的新节点。
在src文件夹下创建一个新文件如下：
roscd test_package
vim src/dynamic_param.cpp
在文件中写入如下代码：
#include
#include
#include
//回调函数将输出参数的新值，参数名称必须与test.cfg配置文件相同
void callback(test_package::test_Config &config, uint32_t level){
ROS_INFO("Reconfigure Request: %d %f %s %s %d", config.int_param, config.double_param, config.str_param.c_str(), config.bool_param?"True":"False", config.size);
}
int main(int argc, char **argv){
ros::init(argc, argv, "test_dynamic_reconfigure");
//初始化服务器
dynamic_reconfigure::Server
//向服务器发送回调函数，当服务器得到重新配置请求，会调用回调函数
dynamic_reconfigure::Server
f = boost::bind(&callback, _1, _2);
server.setCallback(f);
ros::spin();
return 0;
}
7.4 修改CMakeLists.txt添加节点的编译
add_executable(dynamic_param src/dynamic_param.cpp)
add_dependencies(dynamic_param test_package_gencfg)
target_link_libraries(dynamic_param ${catkin_LIBRARIES})
7.5 运行配置
打开三个终端命令行窗口，分别运行如下的命令：
roscore
rosrun test_package dynamic_param
rosrun rqt_reconfigure rqt_reconfigure
执行完成后，会看到一个rqt_reconfigure窗口，在这个窗口中就可以动态的配置节点的参数，并且在调整参数时，可以看到命令行打印参数的改变。