机器人操作系统（ROS）浅析（肖军浩 博士 译） 学习笔记
第一章：
第 1 章 绪论
1.1 选择 ROS 的理由
分布式计算 现代机器人系统往往需要多个计算机同时运行多个 进程，例如：
（1）一些机器人搭载多台计算机，每台计算机用于控制机器人的 部分驱动器或传感器；
（2）即使只有一台计算机，通常仍将程序划分为独立运行且相互 协作的小的模块来完成复杂的控制任务，这 也是常见的做法；
（3）当多个机器人需要协同完成一个任务时，往往需要互相通信 来支撑任务的完成；
（4）用户通常通过台式机、笔记本或者移动设备发送指令控制机 器人，这种人机交互接口可以认为是机器人软件的一部分。
软件复用：
（1） ROS 标准包（Standard Packages）提供稳定、可调式的各类重要机器人算法实现。
（2）ROS通信接口
快速测试 ：
（1）精心设计的 ROS 系统框架将底层硬件控制模块和顶层数据处 理与决策模块分离；
（2）ROS 另外提供了一种简单的方法可以在调试过程中记录传感 器数据及其他类型的消息数据，并在试验后按时间戳回放，这类记录的数据叫作包（bag）， 一个被称为 rosbag 的工具可以用于记录和回放包数据。
总结：ROS的主要代码由C++语言 3 编写，本书后续章节也会介绍如何在ROS中使用C++进行编程。 ROS 不仅是一个函数库，除包含客户端库（Client Libraries） 外，还包含一个中心服务器（Central Server）、 一系列命令行 工具、图形化界面工具以及编译环境。
1.2 内容概述
在groovy及之前的版本中，ROS采用rosbuild系 统来完成软件的编译，而在新的版本中，则改用catkin编译系统。
第 2 章 入门概述
2.1 安装 ROS
（1）创建文件/etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list
（2）ros-latest.li文件中添加信息：deb http://packages.ros.org/ros/ubuntu trusty main
（3）wget https://raw.githubusercontent.com/ros/rosdistro/master/ros.key
（4）sudo apt-key add ros.key
（5）sudo apt-get update
（6）sudo apt-get install ros-indigo-desktop-full
（7）安装 turtlesim 功能包：sudo apt-get install ros-indigo-turtlesim
（8）为系统设置 rosdep：sudo rosdep init
2.2 配置账户
（1）rosdep update
（2）source /opt/ros/indigo/setup.bash
（3）编辑账户根目 录中的文件.bashrc，在最后一行输入：source /opt/ros/indigo/setup.bash
2.3 使用 TURTLESIM的小例子
2.4 功能包/软件包（PACKAGES）
（1）在 ROS 中，所有软件都被组织为软件包的形式，称为 ROS软件包或功能包，有时也简称为包。ROS 软件包是一组用于实现特 定功能的相关文件的集合，包括可执行文件和其他支持文件。
（2）使用下行命令，可以获取所有已安装的ROS软件包列表清单：rospack list
每个程序包由一个清单文件（文件名为 package.xml）定义。 该文件定义关于包的一些细节，包括其名称、版本、维护者和依赖关系。
使用新的 catkin 编译构建系统的功能包 ——编译产生的可执行文件并未存放在功能包目录下，而 是存放在一个单独的标准化目录层次结构中。
对于使用 apt-get 安装的功能包，其所在根目录为/opt/ros/indigo。可 执行文件存储在这个根目录下的 lib 子目录里。
要找到一个软件包的目录，使用 rospack find 命令： rospack find package-name
（turtlesim是一个软件包）一些命令： $ rosls turtlesim ， $ rosls turtlesim /images ，
$ roscd turtlesim /images/ ， $ roscd turtlesim /images/
图像查看命令： eog box−turtle . png
2.5 节点管理器（THE MASTER） ——》谈如何实际执行 ROS 软件？
ROS 的一个基本目标是使机器人专家设计的很多称为节点 （node）的几乎相对独立的小程序能够同时运行。为此，这些节点必须能够彼此通信。ROS中实现通信的关键部分就是 ROS 节点管理器。要启动节点管理器，使用如下命令： roscore
大多数 ROS 节点在启动时连接到节点管理器上，如果运行 中连接中断，则不会尝试重新连接。因此，如果 roscore 被终止，当前运行的其他节点将无法建立新的连接，即使稍后重启 roscore 也无济于事。
roslaunch 的工具，其目的是一次性启动多个节点。这是一个自适应工具，如果启动多节点时没有节 点管理器运行，它会自动启动节点管理器；如果已经有一个节点 管理器在运行，则会使用已有的。
2.6 节点（NODES）
要启动节点管理器，使用如下命令： roscore 。当结束时，可以通过在 roscore 终端键入 Ctrl-C 停止节点管理器。
启动节点（也称运行ROS程序）的基本命令是rosrun：rosrun package-name executable-name
如果 roscore 被终止，当前运行的其他节点将无法建立新的连接，即使 稍后重启 roscore 也无济于事。
roscore
rosrun turtlesim turtlesim_node ——》这个节点是 可执行文件turtlesim_node的实例化。
rosrun turtlesim turtle_teleop_key ——》是可执行文件 turtle_teleop_key 的实例化。
启动节点：rosrun package-name executable-name
查看节点列表：rosnode list ，输出如下：
这里有三个要点：
（1）rosout 节点是一个特殊的节点，通过 roscore 自动启动。/rosout前面的反斜杠“/”表明该节点名称属于全局命名空间。
（2）节点名并不一定与对应可执行文件名称相同。
（3）查看节点 要获得特定节点的信息，使用如下命令： rosnode info node-name
要终止节点，使用如下命令： rosnode kill node-name
终止和重启节点通常不会 对其他节点有较大影响；即使节点间正在相互交换消息（message），这些连接也会在节点终止时断开，在节点重启时重新连接。
还可以用 Ctrl-C 命令终止节点。但使用这种方法时可能不会在节点管理器中注销该节点，因此会导致已终止的节点 仍然在 rosnode 列表中。这虽然没有什么坏处，但可能会 让用户对当前系统的行为感到困扰。此时可以使用下面的 命令将节点从列表中删除： rosnode cleanup
2.7 话题和消息
turtlesim 例子中，遥控节点和仿真节点必须以某种方式进行对话。
遥控节点：上下左右按键
仿真节点：移动的海归
ROS节点之间进行通信所利用的最重要的机制就是消息传递。在ROS中，消息有组织地存放在话题里。且消息是直接地从发布节点传递到订阅节点，中间并不经过节点管理器转交。
ROS节点管理器负责确 保发布节点和订阅节点能找到对方。
查看节点构成的计算图 ：在ROS系统中查看节点之间的发布-订阅关系的最简单方式就是在终端输入如下命令： rqt_graph ，r 代表 ROS，qt 指的是用来实现这个可视化程序的 Qt 图形界面（GUI）工具包。
/teleop_turtle节点向话题/turtle1/cmd_vel发布消息（上下左右移动的按键）， 而/turtlesim节点订阅了这些消息(“cmd_vel”是“command velocity”的缩写)
当按下一个键时，/teleop_turtle 节点会以消息的形式将这些运动控制命令发布到话题/turtle1/cmd_vel；与此同时，因为 turtlesim_node 订阅了该话题，因此它会接收到这个些消息，控制 海龟按照该预定的速度移动.
节点：/teleop_turtle
消息：运动控制命令
话题：/turtle1/cmd_vel
请注意： rqt_graph 本身就是一个节点。所有的节点发布都向话题/rosout 发布消息，该话题由同名的 /rosout 节点订阅。/rosout这个话题的作用是用来生成各个节点的文本日志消息。此处的名称/rosout 既指节点又指话题。但 ROS 并不会因这 种重复的名字而混淆，因为 ROS 会根据上下文来推测我们 讨论的是/rosout 节点还是/rosout 话题。
为了获取当前活跃的话题，使用如下命令： rostopic list
打印消息内容：rostopic echo topic-name
有两个命令可以用来测量消息发布的频率以及这 些消息所占用的带宽： rostopic hz topic-name ； rostopic bw topic-name
查看话题：rostopic info topic-name
查看消息类型： rosmsg show message-type-name
和 ROS 里其他的程序一样，每条消息类型都属于一个特定的包。消息类型名总会包含一个斜杠，斜杠前面的名字是包含它的包： package-name/type-name
2.7.2 消息和消息类型
消息里到底包含了什么信息？
——》话题的消息类型能告诉你该话题中每个消息携带了哪些信息，以及这些信息是如何组织的。
命令：rostopic list
查看话题命令：rostopic info /turtle1/cmd_vel
查看消息类型：rosmsg show geometry_msgs/Twist
理解消息类型的命名：消息类型名总会包含一个斜杠，斜杠前面的名字是包含它的包：package-name/type-name
输入命令：rostopic echo /turtle1/cmd_vel ，并按下按键时，有一下输出：
用命令行发布消息：rostopic pub –r rate-in-hz topic-name message-type message-content ，这条命令重复地按照指定的频率给指定的话题发布指定的消息。
例子：rostopic pub –r 3 /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/Twist ’[0,0,0]’ ’[0,0,1]’
频率 话题 类型 消息
2.8 一个更复杂的例子
于绝大多数设计精巧的 ROS 节点是松耦合的。每个节点都不需要显式知道其他节点的存在与否；它们的唯一交互方式是间接地发生在基于话题和消息的通信层。
ROS 为更加直接的一对一通信提供了一种称为服务 （services）的机制。
当ROS没有按你的预期运行时，一种可能有帮助的工具，也是本章要学习的最后一个命令行工具：roswtf
第 3 章 编写 ROS 程序
3.1 创建工作区和功能包
（1）现在，终于是时候开始创建你自己的 ROS 程序了。本章将介绍如何建立一个开发工作区，并且 在此工作区编写三个短程序。
（2）在我们写任何程序之前，第一步是创建一个容纳我们的功能包的工作区，然后再创建功能包本身。
（3）创建工作区 ：mkdir /home/jokane-/ros
创建功能包 ：创建一个新ROS功能包的命令应该在你工作区中的 src目录下运行：catkin_create_pkg package-name ，执行完后会在包中自动生成两个文件：CMakeLists.txt， package.xml。
第一个配置文件，叫做 package.xml，是我们在 2.4 节讨论过 的清单文件。
第二个文件，叫做CMakeLists.txt，是一个Cmake的脚本文件。Cmake 是一个符合工业标准的跨平台编译系统。这个文件包 含了一系列的编译指令，包括应该生成哪种可执行文件，需要哪些源文件，以及在哪里可以找到所需的头文件和链接库。 当然，这个文件表明 catkin 在内部使用了 Cmake。
注意：（1）ROS 包的命名遵循一个命名规范，只允许使用小写字母、 数字和下划线。
（2）这个三层的目录结构（一个工作区目录，包含了一个src目录，src中又包含了一个功能包目录）对于简单项目和小工作区似乎有些大材小用，但是catkin编译系统需要它。
3.2 你好，ROS!
清单文件：package.xml，该文件定义关于包的一些细节，包括其名称、版本、维护者和依赖关系。
头文件 ros/ros.h 包含了标准 ROS 类的声明，将会在每一个 你写的 ROS 程序中包含它。
创建功能包 ：catkin_create_pkg agitr
在agitr文件包中会生成两个配置文件：package.xml和CMakeLists.txt
编译 Hello 程序 ，一共有四个步骤 ：
（1）声明依赖库：在CMakeLists.txt文件中
<build_depend>roscpp</build_depend>
<run_depend>roscpp</run_depend> ——》 format="2"时已经不需要这条了。
（2）声明可执行文，在CMakeLists.txt文件中
其一般形式是：
find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS roscpp)
add_executable(hello hello.cpp)
target_link_libraries(hello ${catkin_LIBRARIES})
（3）编译工作区
在工作区目录运行：catkin_make
（4）Sourcing setup.bash
执行 hello 程序 ：
A:在终端执行：roscore
B:执行：source devel/setup.bash
C:执行：rosrun agitr hello
程序代码解析：
（1）ros::init函数初始化ROS客户端库。请在你程序的起始处调用一次该函数。函数最后的参数是一个包含节点默认名的字符串：ros::init( argc , argv , " hello_ros" ) ;
（2）ros::NodeHandle（节点句柄）对象是你的程序用于和ROS系统交互的主要机制。创建此对象会将你的程序注册成一个节点。仅仅在第一个 NodeHandle 对象创建时才会在节点管理器注册新的节点。 同样，只有当所有的 NodeHandle 对象都销毁后。
3.3 发布者程序
源文件称为pubvel.cpp：发送随机生成的速度指令到一个turtlesim海龟,使它漫无目的地巡游。
一、发布消息 ：
（1）包含消息类型声明
每一个 ROS 话题都与一个消息类型相关联。每一个消息类型都有一个相对应 C++头文件。你需要在你的程序中为每一个用到 的消息类型包含这个头文件，代码如下所示：
#include <package_name/type_name.h>
当引用 C++代码中的消息类时，你将会使 用双分号（::）来区分开包名和类型名，双分号也称为范围解析运算符。
#include <geometry_msgs/Twist.h> ，头文件定义了一个名为 geometry_msgs::Twist 的类。
（2）创建发布者对象
发布消息的实际工作是由类名为ros::Publisher 的一个对象来完成的。
ros::Publisher pub = node_handle.advertise<message_type>( topic_name, queue_size);
如果想从同一个节点发布关于多个话题的消息，你需要为每个话题创建一个独立的 ros::Publisher 对象。建议为每一个话题创建一个发布者，并且在你程序执行的全 过程中一直使用那个发布者。因为创建一个发布者是一个很耗时的操作。
（4）发布消息 ：使用 ros::Publisher 对象的 publish 方法可以很简单地发布消息：
pub.publish(msg);
这个方法将所给的消息添加到发布者的输出消息队列中，从这里， 它会尽快被发送到相同话题的订阅者那里。
（5）定义输出格式
二、消息发布循环
(1)节点是否停止工作的检查:pubvel 的 while 循环的条件是： ros::ok()
这个函数检查我们的程序作为 ROS 节点是否仍处于运行良好的状态。
(2)控制消息发布频率
ros::Rate rate(2);
邻近每次循环迭代的结尾，我们调 用此对象的 sleep 方法：
rate.sleep();
每次调用此方法时就会在程序中产生延迟。延迟的持续时间被用来阻止循环的迭代速率超过指定的速率。没有这种控制，程序会以计算机允许的最快速度发布消息，这样会占满发布和订阅的序列，并且浪费计算和网络资源。
(3)编译 pubvel
声明消息类型依赖库： 因为pubvel使用了来自geometry_msgs包 的消息类型，
find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS roscpp geometry_msgs)
在 package.xml 文件中，我们添加新的依赖项：
<build_depend>geometry_msgs</build_depend>
(4)执行 pubvel :
rosrun agitr pubvel
3.4 订阅者程序
订阅 turtlesim_node发布的/turtle1/pose 话题。这一话题的消息描述了海龟的位姿（位置和朝向)。
这里有三个新的知识点：
(1)编写回调函数
回调函数类似于：
void function_name(const package_name::type_name &msg){ . . . }
其中参数 package_name 和 type_name 和发布消息时的相同，它们指明了我们想订阅的话题的消息类。
(2)创建订阅者对象
创建一个 ros::Subscriber对象：
ros::Subscriber sub = node_handle.subscribe(topic_name,queue_size, pointer_to_callback_function);
e.g：ros::Subscriber sub = nh.subscribe ( " turtle1/pose " ,1000,&poseMessageReceived );
可以通过如下两个方法减少订阅者队列溢出的可能性：
（1）通过调用 ros::spin 或者 ros:spinOnce 确 保允许回调发生；
（2）减少每个回调函数的计算时间。
(3)给ROS控制权
最后的复杂之处在于只有当明确给ROS许可时，它才会执行的回调函数。
实际上有两个略微不同的方式来做到这一点：
（1）ros::spinOnce(); ——》这个代码要求 ROS 去执行所有挂起的回调函数，然后将控制权限返回给我们。
（2）ros::spin(); ——》这个方法要求 ROS 等待并且执行回调函数，直到这个节点关机。
ros::spin()大体等于这样一个循环：
while(ros::ok( ))
{
ros::spinOnce();
}
使用 ros::spinOnce()还是使用 ros::spin()的建议如下：你的程 序除了响应回调函数，还有其他重复性工作要做吗？如果答案是 “否”，那么使用 ros::spin()；否则，合理的选择是写一个循环，做 其他需要做的事情，并且周期性地调用 ros::spinOnce()来处理回调。
注意：忽略了调用 ros::spinOnce 或 ros::spin。在这种情况下，ROS 永远没有机 会去执行你的回调函数。
3.4.1 编译并运行 subpose
运行：rosrun turtlesim turtlesim_node ——》 rosrun agitr pubvel （启动发布消息） ——》 rosrun sub subpose（启动订阅消息）
第 4 章 日志消息
4.1 严重级别
按照严重性程度递增，这些级别有：
DEBUG INFO WARN ERROR FATAL
4.2 示例程序
ROS_DEBUG_STREAM
ROS_INFO_STREAM
ROS_WARN_STREAM
ROS_ERROR_STREAM
ROS_FATAL_STREAM
默认的最小级别是INFO.
4.3 生成日志消息
ROS_DEBUG_STREAM(message);
ROS_INFO_STREAM(message);
ROS_WARN_STREAM(message);
ROS_ERROR_STREAM(message);
ROS_FATAL_STREAM(message);
——》其中各个宏的参数message可以是C++中标准输出流（ostream）中的各种表达式。
（1）生成一次性日志消息 ：
ROS 提供了可以仅仅生成一次日志消息的简单的宏。
ROS_DEBUG_STREAM_ONCE(message);
ROS_INFO_STREAM_ONCE (message);
ROS_WARN_STREAM_ONCE (message);
ROS_ERROR_STREAM_ONCE (message);
ROS_FATAL_STREAM_ONCE (message);
（2）生成频率受控的日志消息 ：
ROS_DEBUG_STREAM_THROTTLE(interval, message);
ROS_INFO_STREAM_THROTTLE(interval, message);
ROS_WARN_STREAM_THROTTLE(interval, message);
ROS_ERROR_STREAM_THROTTLE(interval, messge);
ROS_FATAL_STREAM_THROTTLE(interval, message);
——》参数 interval 是 double类型的，它表示以秒为单位的时间量，这是相邻日志消息出现的最小时间间隔。
4.4 查看日志消息
（1）最明显的是，日志消息可以被送至控制台。
DEBUG和INFO消息被打印至标准输出（standard output），而 WARN、 ERROR和FATAL消息将被送至标准错误（standard error）。
格式化控制台消息 ：[${severity}] [${time}]: ${message}
（2）除了在控制台上显示，每一个日志消息都被发布到话题 /rosout 上。
话题的消息类型是 rosgraph_msgs/Log。
/rosout 话题的主要作用是它在一个流中包含了系统中所有节点的日志消息。
由于/rosout 只是一个普通的话题，你当然可以通过 ：
rostopic echo /rosout 这条命令直接查看消息内容。
查看/rosout消息最简单的方式是使用下面这条命令：
rqt_console ——》rqt_console 订阅的是/rosout_agg，而不是/rosout。后缀_agg 表示消息实际上是被 rosout 节点聚合到一起的。 /rosout 话题发布 的消息都通过 rosout 节点输出到 /rosout_agg 话题上。
（3）日志消息的第三个，也是最后一个目的地，是由 rosout 节点生成的日志文件。
由 rosout 节点生成的日志文件。作为/rosout 话题回调函数的一部分，该节点可以将日志消息作为一行写入到一个日志文件，文件名类似于：
~/.ros/log/run_id/rosout.log 这里的 rosout.log 日志文件是纯文本文件。
使用下面这条命令来查看当前账户中被ROS日志消 耗的硬盘空间：
rosclean check
如果日志正在消耗过多的硬盘空间，可以通过下面的命令删除所有已经存在的日志：
rosclean purge
4.5 启用和禁用日志消息
rqt_console 会接收任何输入的日志消息，其过滤选项只是选择性地显示其中的一部分。
设置日志的方法有两种：
(1)为了通过命令行设置一个节点的日志级别，可以使用与以下类似的命令：
rosservice call /node-name/set_logger_level ros.package-name level
——》这条命令调用 set_logger_level 服务，该服务由各个节点自动提供。
node-name 是你期望设置日志级别的节点名称
package-name 正如你猜测的一样，是拥有这个节点的功能包 的名称
level 参数是 DEBUG、INFO、WARN、ERROR、FATAL 中的一个字符串，即为节点设置的日志级别。
(2)通过图形界面设置日志级别 ：
以尝试以下命令： rqt_logger_level
（3）通过 C++代码设置日志级别 ：
最直接的方式是调用 ROS 来实现日志功能的 log4cxx 提供的接口：
#include <log4cxx/logger.h>
log4cxx::Logger::getLogger(ROSCONSOLE_DEFAULT_NAME)->setLevel(
ros::console::g_level_lookup[ros::console::levels::Debug] );
ros::console::notifyLoggerLevelsChanged();
调用 ros::console::notifyLoggerLevelsChanged()是有必要的，因为每个日志的启用或者禁用是缓存了的。
第 5 章 计算图源命名
5.1 全局名称
（1）节点、话题、服务和参数统称为计算图，而每个计算图源由一个叫计算图源名称（graph resource name）的短字符串标识。
一个全局名称的几个组成部分： e.g：/turtle1/cmd_vel
前斜杠“/”表明这个名称为全局名称。
由斜杠分开的一系列命名空间（namespace），每个斜杠代表 一级命名空间。e.g:turtle1
描述资源本身的基本名称（base name）。e.g：cmd_vel
5.2 相对名称
相对名称的典型特征是它缺少全局名称带 有的前斜杠“/”。
默认命名空间的名称 + 相对名称 = 全局名称，e.g：/turtle1 + cmd_vel =》/turtle1/cmd_vel
默认命名空间 相对名称 全局名称
为节点选择一个不同的默认命 名空间的最好也是最常用的方法是在启动文件中使用命名空间 （ns）属性。 ROS 还提供了一些其他机制支持这种操作：
（1）大部分 ROS 程序接 受叫做__ns 的命令行参数，此参数将为程序指定一个默认命 名空间。
__ns:=default-namespace
（2）还可以利用环境变量为在 shell 内执行的 ROS 程序设置默认命名空间。
Export ROS_NAMESPACE=default-namespace
5.3 私有名称
与相对名称的主要差别在于，私有名称不是用当前默认命名空间，而是用的它们节点名称作为命名空间。每个节点内部都有这样一些资源，这些资源只与本节点有关，而不会与其他节点打交道，这些资源 就可以使用私有名称。
其私有名称∼max_vel 转换至如下全局名称：
/sim1/pubvel + ~max_vel => /sim1/pubvel/max_vel
私有名称 全局名称
5.4 匿名名称（ANONYMOUS NAMES）
为了请求一个匿名名称，节点需要将 ros::init_options::Anonymous-Name 作为第四个参数传递给 ros::init 方法：
ros::init(argc, argv, base_name, ros::init_options::AnonymousName);