【嵌入式系统应用开发】ROS环境安装配置与入门实操

前言

环境 Ubuntu18.04

1 ROS简介

ROS（机器人操作系统，Robot Operating System），是专为机器人软件开发所设计出来的一套电脑操作系统架构。它是一个开源的元级操作系统（后操作系统），提供类似于操作系统的服务，包括硬件抽象描述、底层驱动程序管理、共用功能的执行、程序间消息传递、程序发行包管理，它也提供一些工具和库用于获取、建立、编写和执行多机融合的程序。

ROS的运行架构是一种使用ROS通信模块实现模块间P2P的松耦合的网络连接的处理架构，它执行若干种类型的通讯，包括：

1. 基于服务的同步RPC（远程过程调用）通讯；
2. 基于Topic的异步数据流通讯，还有参数服务器上的数据存储。

2 ROS软件安装

2.1 添加ROS软件源

sudo sh -c 'echo "deb http://packages.ros.org/ros/ubuntu $(lsb_release -sc) main" > /etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list'

2.2 添加密钥

sudo apt-key adv --keyserver keyserver.ubuntu.com --recv-keys F42ED6FBAB17C654

2.3 安装ROS

sudo apt update
sudo apt-get install ros-melodic-desktop-full

注意：需要根据Ubuntu的版本选择合适的ROS版本。否则会出现Unable to locate package ros-kinetic-desktop-full的错误。ROS的版本主要有Melodic、Lunar、Kinetic版本，根据linux系统不同选择合适的版本

2.4 初始化rosdep

sudo rosdep init
rosdep update

1. 出现ERROR: cannot download default sources list from: https://raw.githubusercontent.com/ros/rosdistro/master/rosdep/sources.list.d/20-default.list Website may be down.的错误

cd /etc
sudo gedit hosts

在文本后面添加（ip是通过https://site.ip138.com进行输入raw.githubusercontent.com查询获取得到，任意选择一个）
ip raw.githubusercontent.com

修改好后，结果如下

2.5 设置环境变量

echo "source /opt/ros/melodic/setup.bash" >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc

2.6 安装rosinstall

sudo apt-get install python-rosinstall python-rosinstall-generator python-wstool build-essential

3 ROS初试——小海龟

3.1 启动ROS Master

roscore

3.2 启动小海龟仿真器

rosrun turtlesim turtlesim_node

3.3 控制海龟控制节点

rosrun turtlesim turtle_teleop_key

实现结果如下

4 ROS话题发布和订阅节点

首先创建一个功能包，命名为topic，添加roscpp，rospy等依赖项。

4.1 创建话题发布者Publisher

Publisher的主要作用是针对制定话题发布特定数据类型的消息。我们用代码实现一个节点，并且在节点中创建一个Publisher并发布字符串“Hello World”,代码如下：

#include <sstream>
#include "ros/ros.h"
#include "std_msgs/String.h"
 
int main(int argc, char **argv)
{
    
    
     //ROS节点初始化
ros::init(argc,argv,"talker");
 
     //创建节点句柄
ros::NodeHandle n;
 
     //创建一个Publisher,发布名为chatter的topic,消息类型为std_msgs::String
ros::Publisher chatter_pub =n.advertise<std_msgs::String>("chatter",1000);
 
      //设置循环的频率
ros::Rate loop_rate(10);
 
int count = 0;
 
while (ros::ok())
{
    
    
     // 初始化std_msgs::String类型的消息
      std_msgs::String msg;
      std::stringstream ss;
      ss <<"hello world" << count;
      msg.data = ss.str();
  
    //发布消息
      ROS_INFO("%s",msg.data.c_str());
      chatter_pub.publish(msg);
      
 
      //循环等待回调函数
      ros::spinOnce();
 
      //按照循环频率延时
       loop_rate.sleep();
       ++count;
}
return 0;
}

4.2 创建话题订阅者Subscriber

下面创建一个Subscriber以订阅Publisher节点发布的“Hello World”字符串，实现代码如下：

#include "ros/ros.h"
#include "std_msgs/String.h"
 
 //接收到订阅的消息后，会进入消息回调函数
 
void chatterCallback(const std_msgs::String::ConstPtr& msg)
{
    
    
         //将接收到的信息打印出来
        ROS_INFO("I heard: [%s]",msg->data.c_str());
}
 
int main (int argc, char **argv)
{
    
    
        //初始化ROS节点
 
       ros::init(argc,argv,"listener");
     
       //创建节点句柄
       ros::NodeHandle n;
 
   //创建一个Subscriber,订阅名为chatter的话题，注册回调函数chatterCallback
 
    ros::Subscriber sub=n.subscribe("chatter",1000,chatterCallback);
    
     //循环等待回调函数
   
     ros::spin();
 
      return 0;
}

4.3 编译功能包

编辑该功能包的CMakeLists.txt文件，如下：

## Specify additional locations of header files
## Your package locations should be listed before other locations
include_directories(
# include
  ${
    
    catkin_INCLUDE_DIRS}
)
##add_executable(hello ~/Alltest/catkin_ws/src/learning_communication/src/hello.cpp)
 
add_executable(talker src/talker.cpp)
target_link_libraries(talker ${
    
    catkin_LIBRARIES})
add_dependencies(talker ${
    
    PROJECT_NAME}_generate_messages_cpp)
 
add_executable(listener src/listener.cpp)
target_link_libraries(listener ${
    
    catkin_LIBRARIES})
add_dependencies(listener ${
    
    PROJECT_NAME}_generate_messages_cpp)

4.4 运行Publisher和Subscriber

在工作空间根目录设置环境变量并编译：

source devel/setup.bash
catkin_make

4.5 测试结果

需要运行三个终端，分别运行roscore，发布节点，订阅节点

1. 运行roscore，在第一个终端输入：

roscore

2. 运行话题发布者，在第二个终端中输入：

source ./devel/setup.bash
rosrun topic_pub_sub publisher

3. 运行话题订阅者，在第三个终端中输入：

source ./devel/setup.bash
rosrun topic_pub_sub subscriber

结果如下：

5 控制小海龟走圆形

5.1 建立ROS工作空间

与上述步骤相同，不做赘述

5.2 配置环境变量

在catkin_ws路径下终端输入

source devel/setup.bash

使系统知道功能包放置在catkin_ws这个工作空间下。
查看当前环境变量,终端输入

echo $ROS_PACKAGE_PATH

5.3 ROS机器人画圆程序的编写

打开终端，在catkin_ws/src路径下新建my_turtle_package包

catkin_create_pkg my_turtle_package rospy roscpp

在my_turtle_package/src 中创建cpp文件

gedit draw_circle.cpp

编写代码如下：

#include "ros/ros.h"
#include<geometry_msgs/Twist.h> //运动速度结构体类型  geometry_msgs::Twist的定义文件
 
int main(int argc, char *argv[])
{
    
    
    ros::init(argc, argv, "vel_ctrl");  //对该节点进行初始化操作
    ros::NodeHandle n;         //申明一个NodeHandle对象n，并用n生成一个广播对象vel_pub
    ros::Publisher vel_pub = n.advertise<geometry_msgs::Twist>("/turtle1/cmd_vel", 10);
    //vel_pub会在主题"/cmd_vel"(机器人速度控制主题)里广播geometry_msgs::Twist类型的数据
    ROS_INFO("draw_circle start...");//输出显示信息
    while(ros::ok())
    {
    
    
        geometry_msgs::Twist vel_cmd; //声明一个geometry_msgs::Twist 类型的对象vel_cmd，并将速度的值赋值到这个对象里面
 
        vel_cmd.linear.x = 2.0;//前后（+-） m/s
        vel_cmd.linear.y = 0.0;  //左右（+-） m/s
        vel_cmd.linear.z = 0.0;
 
        vel_cmd.angular.x = 0;
        vel_cmd.angular.y = 0;
        vel_cmd.angular.z = 1.8; //机器人的自转速度，+左转，-右转，单位是rad/s
        vel_pub.publish(vel_cmd); //赋值完毕后，发送到主题"/cmd_vel"。机器人的核心节点会从这个主题接受发送过去的速度值，并转发到硬件体上去执行
 
        ros::spinOnce();//调用此函数给其他回调函数得以执行(比例程未使用回调函数)
    }
    return 0;
}

打开CMakeLists.txt，在CMakeLists.txt文件中找到##Declare a C++ executable，在这一行的前面添加如下内容：

add_executable(draw_circle src/draw_circle.cpp)
target_link_libraries(draw_circle ${
    
    catkin_LIBRARIES})

保存并退出CMakeLists.txt文件。然后在terminal中继续输入如下命令进行编译：

cd ~/catkin_ws/
catkin_make

5.4 启动ROS机器人

1. 打开第一个终端(terminal)，启动ros

roscore

2. 打开第二个终端(terminal)，启动rosnode

rosrun turtlesim turtlesim_node

3. 打开第三个终端(terminal)，启动my_turtle_package节点

cd  ~/catkin_ws/
source devel/setup.bash
rosrun my_turtle_package draw_circle

结果如下：

总结

通过本次作业，熟悉了解了ROS，安装ROS的整个过程，首先需要选择对应版本的ROS，在安装的过程中出现了许多问题，在查询相关资料后，都可以基本解决。