ROS1-Noetic学习指南

ROS基础配置

准备工作

创建工作空间并初始化

mkdir -p 自定义空间名称/src
cd 自定义空间名称
catkin_make

首先会创建一个工作空间以及一个 src 子目录，然后再进入工作空间调用 catkin_make 命令编译

进入src创建ros包并添加依赖

cd src
catkin_create_pkg 自定义ROS包名 roscpp rospy std_msgs

在工作空间下生成一个功能包，该功能包依赖于 roscpp、rospy 与 std_msgs，其中roscpp是使用C++实现的库，而rospy则是使用python实现的库，std_msgs是标准消息库，创建ROS功能包时，一般都会依赖这三个库实现

HelloWorld(C++版)

进入 ros 包的 src 目录编辑源文件

cd 自定义的包

C++源码实现(文件名自定义)

#include "ros/ros.h"

int main(int argc, char *argv[])
{
    //执行 ros 节点初始化
    ros::init(argc,argv,"hello");
    //创建 ros 节点句柄(非必须)
    ros::NodeHandle n;
    //控制台输出 hello world
    ROS_INFO("Hello World!");

    return 0;
}

编辑 ros 包下的 Cmakelist.txt文件

add_executable(源文件名
  src/源文件名.cpp
)
target_link_libraries(源文件名
  ${catkin_LIBRARIES}
)

进入工作空间目录并编译

cd 自定义工作空间名称
catkin_make

生成 build devel ….

执行

先启动命令行1：
roscore

再启动命令行2：
cd 工作空间
source ./devel/setup.bash
rosrun 包名 C++节点
命令行输出: Hello World!

PS:source ~/工作空间/devel/setup.bash可以添加进.bashrc文件，使用上更方便

添加方式1: 直接使用 gedit 或 vi 编辑 .bashrc 文件，最后添加该内容

添加方式2:echo “source ~/工作空间/devel/setup.bash” >> ~/.bashrc

HelloWorld(Python版)

进入 ros 包添加 scripts 目录并编辑 python 文件

cd ros包
mkdir scripts

新建 python 文件: (文件名自定义)

#! /usr/bin/env python

#指定解释器

#1. 导包
import rospy

#2. 编写主入口
if __name__ == "__main__":
    #3. 初始化 ROS 节点
    rospy.init_node("hello_p")
    #4. 输出日志
    rospy.loginfo("HelloWorld!")

为 python 文件添加可执行权限

chmod +x 自定义文件名.py

编辑 ros 包下的 CamkeList.txt 文件

catkin_install_python(PROGRAMS scripts/自定义文件名.py
  DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_BIN_DESTINATION}
)

进入工作空间目录并编译

cd 自定义空间名称
catkin_make

进入工作空间目录并执行

先启动命令行1：
roscore

再启动命令行2：
cd 工作空间
source ./devel/setup.bash
rosrun 包名 自定义文件名.py
输出结果:HelloWorld!

ROS集成开发环境搭建

在 ROS 中，需要频繁的使用到终端，且可能需要同时开启多个窗口，推荐一款较为好用的终端Terminator

sudo apt install terminator

vscode 中编译 ros

快捷键 ctrl + shift + B 调用编译，选择:catkin_make:build

可以点击配置设置为默认，修改.vscode/tasks.json 文件

{
// 有关 tasks.json 格式的文档，请参见
    // https://go.microsoft.com/fwlink/?LinkId=733558
    "version": "2.0.0",
    "tasks": [
        {
            "label": "catkin_make:debug", //代表提示的描述性信息
            "type": "shell",  //可以选择shell或者process,如果是shell代码是在shell里面运行一个命令，如果是process代表作为一个进程来运行
            "command": "catkin_make",//这个是我们需要运行的命令
            "args": [],//如果需要在命令后面加一些后缀，可以写在这里，比如-DCATKIN_WHITELIST_PACKAGES=“pac1;pac2”
            "group": {"kind":"build","isDefault":true},
            "presentation": {
                "reveal": "always"//可选always或者silence，代表是否输出信息
            },
            "problemMatcher": "$msCompile"
        }
    ]
}

创建 ROS 功能包

选定 src 右击 —> create catkin package

1. 设置包名xxx
2. 添加依赖roscpp rospy std_msgs

PS1: 如果没有代码提示

修改 .vscode/c_cpp_properties.json

设置 “cppStandard”: “c++17”

PS2: main 函数的参数不可以被 const 修饰

PS3: 当ROS__INFO 终端输出有中文时，会出现乱码

INFO: ????????????????????????

解决办法：在函数开头加入下面代码的任意一句

setlocale(LC_ALL, "");
// 或者
setlocale(LC_CTYPE, "zh_CN.utf8");

Python的scripts代码需要可执行权限：*chmod +x .p

PS:

如果不编译直接执行 python 文件，会抛出异常。

1. 第一行解释器声明，可以使用绝对路径定位到 python3 的安装路径 #! /usr/bin/python3，但是不建议

2. 建议使用 #!/usr/bin/env python 但是会抛出异常 : /usr/bin/env: “python”: 没有那个文件或目录

解决1: #!/usr/bin/env python3 直接使用 python3 但存在问题: 不兼容之前的 ROS 相关 python 实现

解决2: 创建一个链接符号到 python 命令:sudo ln -s /usr/bin/python3 /usr/bin/python

launch文件演示

1. 需求

一个程序中可能需要启动多个节点，比如:ROS内置的小乌龟案例，如果要控制乌龟运动，要启动多个窗口，分别启动roscore、乌龟界面节点、键盘控制节点。如果每次都调用 rosrun 逐一启动，显然效率低下，如何优化?

官方给出的优化策略是使用 launch 文件，可以一次性启动多个 ROS 节点。

2. 实现

选定功能包右击 —> 添加 launch 文件夹

选定 launch 文件夹右击 —> 添加 launch 文件

编辑 launch 文件内容

<launch>
    <!-- 添加被执行的节点 -->
    <!-- <node pkg="" type="" name=""/> -->
    <node pkg="turtlesim" type="turtlesim_node" name="t1"/>
    <node pkg="turtlesim" type="turtle_teleop_key" name="key1" />
    <node pkg="helloworld" type="hello_vscode_c" name="hello" output="screen" />
</launch>

node —> 包含的某个节点
pkg —–> 功能包
type —-> 被运行的节点文件
name –> 为节点命名
output-> 设置日志的输出目标

运行 launch 文件

roslaunch 包名 launch文件名

运行结果: 一次性启动了多个节点

ROS架构

立足不同的角度，对ROS架构的描述也是不同的，一般我们可以从设计者、维护者、系统结构与自身结构4个角度来描述ROS结构:

1. 设计者

ROS设计者将ROS表述为“ROS = Plumbing + Tools + Capabilities + Ecosystem”

Plumbing: 通讯机制(实现ROS不同节点之间的交互)

Tools:工具软件包(ROS中的开发和调试工具)

Capabilities:机器人高层技能(ROS中某些功能的集合，比如:导航)

Ecosystem:机器人生态系统(跨地域、跨软件与硬件的ROS联盟)

2. 维护者

立足维护者的角度: ROS 架构可划分为两大部分

main：核心部分，主要由 Willow Garage 和一些开发者设计、提供以及维护。它提供了一些分布式计算的基本工具，以及整个ROS的核心部分的程序编写。

universe：全球范围的代码，有不同国家的ROS社区组织开发和维护。一种是库的代码，如OpenCV、PCL等；库的上一层是从功能角度提供的代码，如人脸识别，他们调用下层的库；最上层的代码是应用级的代码，让机器人完成某一确定的功能。

3. 系统架构

立足系统架构: ROS 可以划分为三层

OS 层，也即经典意义的操作系统

ROS 只是元操作系统，需要依托真正意义的操作系统，目前兼容性最好的是 Linux 的 Ubuntu，Mac、Windows 也支持 ROS 的较新版本

中间层

是 ROS 封装的关于机器人开发的中间件，比如: 基于 TCP/UDP 继续封装的 TCPROS/UDPROS 通信系统, 用于进程间通信 Nodelet，为数据的实时性传输提供支持, 另外，还提供了大量的机器人开发实现库，如：数据类型定义、坐标变换、运动控制….

应用层

功能包，以及功能包内的节点，比如: master、turtlesim的控制与运动节点…

4. 自身结构

就 ROS 自身实现而言: 也可以划分为三层

文件系统

ROS文件系统级指的是在硬盘上面查看的ROS源代码的组织形式

计算图

ROS 分布式系统中不同进程需要进行数据交互，计算图可以以点对点的网络形式表现数据交互过程，计算图中的重要概念: 节点(Node)、消息(message)、通信机制_主题(topic)、通信机制_服务(service)

开源社区

ROS的社区级概念是ROS网络上进行代码发布的一种表现形式

ROS文件系统

WorkSpace --- 自定义的工作空间

    |--- build:编译空间，用于存放CMake和catkin的缓存信息、配置信息和其他中间文件。

    |--- devel:开发空间，用于存放编译后生成的目标文件，包括头文件、动态&静态链接库、可执行文件等。

    |--- src: 源码

        |-- package：功能包(ROS基本单元)包含多个节点、库与配置文件，包名所有字母小写，只能由字母、数字与下划线组成

            |-- CMakeLists.txt 配置编译规则，比如源文件、依赖项、目标文件

            |-- package.xml 包信息，比如:包名、版本、作者、依赖项...(以前版本是 manifest.xml)

            |-- scripts 存储python文件

            |-- src 存储C++源文件

            |-- include 头文件

            |-- msg 消息通信格式文件

            |-- srv 服务通信格式文件

            |-- action 动作格式文件

            |-- launch 可一次性运行多个节点 

            |-- config 配置信息

        |-- CMakeLists.txt: 编译的基本配置

1. package.xml

该文件定义有关软件包的属性，例如软件包名称，版本号，作者，维护者以及对其他catkin软件包的依赖性。请注意，该概念类似于旧版 rosbuild 构建系统中使用的manifest.xml文件。

​<?xml version="1.0"?>
<!-- 格式: 以前是 1，推荐使用格式 2 -->
<package format="2">
  <!-- 包名 -->
  <name>demo01_hello_vscode</name>
  <!-- 版本 -->
  <version>0.0.0</version>
  <!-- 描述信息 -->
  <description>The demo01_hello_vscode package</description>

  <!-- One maintainer tag required, multiple allowed, one person per tag -->
  <!-- Example:  -->
  <!-- <maintainer email="jane.doe@example.com">Jane Doe</maintainer> -->
  <!-- 维护人员 -->
  <maintainer email="xuzuo@todo.todo">xuzuo</maintainer>


  <!-- One license tag required, multiple allowed, one license per tag -->
  <!-- Commonly used license strings: -->
  <!--   BSD, MIT, Boost Software License, GPLv2, GPLv3, LGPLv2.1, LGPLv3 -->
  <!-- 许可证信息，ROS核心组件默认 BSD -->
  <license>TODO</license>


  <!-- Url tags are optional, but multiple are allowed, one per tag -->
  <!-- Optional attribute type can be: website, bugtracker, or repository -->
  <!-- Example: -->
  <!-- <url type="website">http://wiki.ros.org/demo01_hello_vscode</url> -->


  <!-- Author tags are optional, multiple are allowed, one per tag -->
  <!-- Authors do not have to be maintainers, but could be -->
  <!-- Example: -->
  <!-- <author email="jane.doe@example.com">Jane Doe</author> -->


  <!-- The *depend tags are used to specify dependencies -->
  <!-- Dependencies can be catkin packages or system dependencies -->
  <!-- Examples: -->
  <!-- Use depend as a shortcut for packages that are both build and exec dependencies -->
  <!--   <depend>roscpp</depend> -->
  <!--   Note that this is equivalent to the following: -->
  <!--   <build_depend>roscpp</build_depend> -->
  <!--   <exec_depend>roscpp</exec_depend> -->
  <!-- Use build_depend for packages you need at compile time: -->
  <!--   <build_depend>message_generation</build_depend> -->
  <!-- Use build_export_depend for packages you need in order to build against this package: -->
  <!--   <build_export_depend>message_generation</build_export_depend> -->
  <!-- Use buildtool_depend for build tool packages: -->
  <!--   <buildtool_depend>catkin</buildtool_depend> -->
  <!-- Use exec_depend for packages you need at runtime: -->
  <!--   <exec_depend>message_runtime</exec_depend> -->
  <!-- Use test_depend for packages you need only for testing: -->
  <!--   <test_depend>gtest</test_depend> -->
  <!-- Use doc_depend for packages you need only for building documentation: -->
  <!--   <doc_depend>doxygen</doc_depend> -->
  <!-- 依赖的构建工具，这是必须的 -->
  <buildtool_depend>catkin</buildtool_depend>

  <!-- 指定构建此软件包所需的软件包 -->
  <build_depend>roscpp</build_depend>
  <build_depend>rospy</build_depend>
  <build_depend>std_msgs</build_depend>

  <!-- 指定根据这个包构建库所需要的包 -->
  <build_export_depend>roscpp</build_export_depend>
  <build_export_depend>rospy</build_export_depend>
  <build_export_depend>std_msgs</build_export_depend>

  <!-- 运行该程序包中的代码所需的程序包 -->  
  <exec_depend>roscpp</exec_depend>
  <exec_depend>rospy</exec_depend>
  <exec_depend>std_msgs</exec_depend>


  <!-- The export tag contains other, unspecified, tags -->
  <export>
    <!-- Other tools can request additional information be placed here -->

  </export>
</package>

2. CMakelists.txt

文件CMakeLists.txt是CMake构建系统的输入，用于构建软件包。任何兼容CMake的软件包都包含一个或多个CMakeLists.txt文件，这些文件描述了如何构建代码以及将代码安装到何处。

​cmake_minimum_required(VERSION 3.0.2) #所需 cmake 版本
project(demo01_hello_vscode) #包名称，会被 ${PROJECT_NAME} 的方式调用

## Compile as C++11, supported in ROS Kinetic and newer
# add_compile_options(-std=c++11)

## Find catkin macros and libraries
## if COMPONENTS list like find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS xyz)
## is used, also find other catkin packages
#设置构建所需要的软件包
find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS
  roscpp
  rospy
  std_msgs
)

## System dependencies are found with CMake's conventions
#默认添加系统依赖
# find_package(Boost REQUIRED COMPONENTS system)


## Uncomment this if the package has a setup.py. This macro ensures
## modules and global scripts declared therein get installed
## See http://ros.org/doc/api/catkin/html/user_guide/setup_dot_py.html
# 启动 python 模块支持
# catkin_python_setup()

################################################
## Declare ROS messages, services and actions ##
## 声明 ROS 消息、服务、动作... ##
################################################

## To declare and build messages, services or actions from within this
## package, follow these steps:
## * Let MSG_DEP_SET be the set of packages whose message types you use in
##   your messages/services/actions (e.g. std_msgs, actionlib_msgs, ...).
## * In the file package.xml:
##   * add a build_depend tag for "message_generation"
##   * add a build_depend and a exec_depend tag for each package in MSG_DEP_SET
##   * If MSG_DEP_SET isn't empty the following dependency has been pulled in
##     but can be declared for certainty nonetheless:
##     * add a exec_depend tag for "message_runtime"
## * In this file (CMakeLists.txt):
##   * add "message_generation" and every package in MSG_DEP_SET to
##     find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS ...)
##   * add "message_runtime" and every package in MSG_DEP_SET to
##     catkin_package(CATKIN_DEPENDS ...)
##   * uncomment the add_*_files sections below as needed
##     and list every .msg/.srv/.action file to be processed
##   * uncomment the generate_messages entry below
##   * add every package in MSG_DEP_SET to generate_messages(DEPENDENCIES ...)

## Generate messages in the 'msg' folder
# add_message_files(
#   FILES
#   Message1.msg
#   Message2.msg
# )

## Generate services in the 'srv' folder
# add_service_files(
#   FILES
#   Service1.srv
#   Service2.srv
# )

## Generate actions in the 'action' folder
# add_action_files(
#   FILES
#   Action1.action
#   Action2.action
# )

## Generate added messages and services with any dependencies listed here
# 生成消息、服务时的依赖包
# generate_messages(
#   DEPENDENCIES
#   std_msgs
# )

################################################
## Declare ROS dynamic reconfigure parameters ##
## 声明 ROS 动态参数配置 ##
################################################

## To declare and build dynamic reconfigure parameters within this
## package, follow these steps:
## * In the file package.xml:
##   * add a build_depend and a exec_depend tag for "dynamic_reconfigure"
## * In this file (CMakeLists.txt):
##   * add "dynamic_reconfigure" to
##     find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS ...)
##   * uncomment the "generate_dynamic_reconfigure_options" section below
##     and list every .cfg file to be processed

## Generate dynamic reconfigure parameters in the 'cfg' folder
# generate_dynamic_reconfigure_options(
#   cfg/DynReconf1.cfg
#   cfg/DynReconf2.cfg
# )

###################################
## catkin specific configuration ##
## catkin 特定配置##
###################################
## The catkin_package macro generates cmake config files for your package
## Declare things to be passed to dependent projects
## INCLUDE_DIRS: uncomment this if your package contains header files
## LIBRARIES: libraries you create in this project that dependent projects also need
## CATKIN_DEPENDS: catkin_packages dependent projects also need
## DEPENDS: system dependencies of this project that dependent projects also need
# 运行时依赖
catkin_package(
#  INCLUDE_DIRS include
#  LIBRARIES demo01_hello_vscode
#  CATKIN_DEPENDS roscpp rospy std_msgs
#  DEPENDS system_lib
)

###########
## Build ##
###########

## Specify additional locations of header files
## Your package locations should be listed before other locations
# 添加头文件路径，当前程序包的头文件路径位于其他文件路径之前
include_directories(
# include
  ${catkin_INCLUDE_DIRS}
)

## Declare a C++ library
# 声明 C++ 库
# add_library(${PROJECT_NAME}
#   src/${PROJECT_NAME}/demo01_hello_vscode.cpp
# )

## Add cmake target dependencies of the library
## as an example, code may need to be generated before libraries
## either from message generation or dynamic reconfigure
# 添加库的 cmake 目标依赖
# add_dependencies(${PROJECT_NAME} ${${PROJECT_NAME}_EXPORTED_TARGETS} ${catkin_EXPORTED_TARGETS})

## Declare a C++ executable
## With catkin_make all packages are built within a single CMake context
## The recommended prefix ensures that target names across packages don't collide
# 声明 C++ 可执行文件
add_executable(Hello_VSCode src/Hello_VSCode.cpp)

## Rename C++ executable without prefix
## The above recommended prefix causes long target names, the following renames the
## target back to the shorter version for ease of user use
## e.g. "rosrun someones_pkg node" instead of "rosrun someones_pkg someones_pkg_node"
#重命名c++可执行文件
# set_target_properties(${PROJECT_NAME}_node PROPERTIES OUTPUT_NAME node PREFIX "")

## Add cmake target dependencies of the executable
## same as for the library above
#添加可执行文件的 cmake 目标依赖
add_dependencies(Hello_VSCode ${${PROJECT_NAME}_EXPORTED_TARGETS} ${catkin_EXPORTED_TARGETS})

## Specify libraries to link a library or executable target against
#指定库、可执行文件的链接库
target_link_libraries(Hello_VSCode
  ${catkin_LIBRARIES}
)

#############
## Install ##
## 安装 ##
#############

# all install targets should use catkin DESTINATION variables
# See http://ros.org/doc/api/catkin/html/adv_user_guide/variables.html

## Mark executable scripts (Python etc.) for installation
## in contrast to setup.py, you can choose the destination
#设置用于安装的可执行脚本
catkin_install_python(PROGRAMS
  scripts/Hi.py
  DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_BIN_DESTINATION}
)

## Mark executables for installation
## See http://docs.ros.org/melodic/api/catkin/html/howto/format1/building_executables.html
# install(TARGETS ${PROJECT_NAME}_node
#   RUNTIME DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_BIN_DESTINATION}
# )

## Mark libraries for installation
## See http://docs.ros.org/melodic/api/catkin/html/howto/format1/building_libraries.html
# install(TARGETS ${PROJECT_NAME}
#   ARCHIVE DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_LIB_DESTINATION}
#   LIBRARY DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_LIB_DESTINATION}
#   RUNTIME DESTINATION ${CATKIN_GLOBAL_BIN_DESTINATION}
# )

## Mark cpp header files for installation
# install(DIRECTORY include/${PROJECT_NAME}/
#   DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_INCLUDE_DESTINATION}
#   FILES_MATCHING PATTERN "*.h"
#   PATTERN ".svn" EXCLUDE
# )

## Mark other files for installation (e.g. launch and bag files, etc.)
# install(FILES
#   # myfile1
#   # myfile2
#   DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_SHARE_DESTINATION}
# )

#############
## Testing ##
#############

## Add gtest based cpp test target and link libraries
# catkin_add_gtest(${PROJECT_NAME}-test test/test_demo01_hello_vscode.cpp)
# if(TARGET ${PROJECT_NAME}-test)
#   target_link_libraries(${PROJECT_NAME}-test ${PROJECT_NAME})
# endif()

## Add folders to be run by python nosetests
# catkin_add_nosetests(test)

ROS文件系统相关命令

1. 增

catkin_create_pkg 自定义包名 依赖包 === 创建新的ROS功能包

sudo apt install xxx === 安装 ROS功能包

2. 删

sudo apt purge xxx ==== 删除某个功能包

3. 查

rospack list === 列出所有功能包

rospack find 包名 === 查找某个功能包是否存在，如果存在返回安装路径

roscd 包名 === 进入某个功能包

rosls 包名 === 列出某个包下的文件

apt search xxx === 搜索某个功能包

4. 改

rosed 包名 文件名 === 修改功能包文件

需要安装 vim

比如:rosed turtlesim Color.msg

5. 执行

roscore

roscore === 是 ROS 的系统先决条件节点和程序的集合， 必须运行 roscore 才能使 ROS 节点进行通信。

roscore 将启动:
ros master
ros 参数服务器
rosout 日志节点

用法:

roscore

或(指定端口号)

roscore -p xxxx

rosrun

rosrun 包名 可执行文件名 === 运行指定的ROS节点

比如:rosrun turtlesim turtlesim_node

roslaunch

roslaunch 包名 launch文件名 === 执行某个包下的 launch 文件

ROS计算图

1. 计算图简介

ROS文件结构是磁盘上 ROS 程序的存储结构，是静态的，而 ros 程序运行之后，不同的节点之间是错综复杂的，ROS 中提供了一个实用的工具: rqt_graph。

rqt_graph能够创建一个显示当前系统运行情况的动态图形。ROS 分布式系统中不同进程需要进行数据交互，计算图可以以点对点的网络形式表现数据交互过程。rqt_graph是rqt程序包中的一部分。

2. 计算图安装

如果前期把所有的功能包（package）都已经安装完成，则直接在终端窗口中输入

rosrun rqt_graph rqt_graph

如果未安装则在终端（terminal）中输入

$ sudo apt install ros-<distro>-rqt
$ sudo apt install ros-<distro>-rqt-common-plugins

请使用你的ROS版本名称（比如:kinetic、melodic、Noetic等）来替换掉<distro>。

例如当前版本是 Noetic,就在终端窗口中输入

$ sudo apt install ros-noetic-rqt
$ sudo apt install ros-noetic-rqt-common-plugins

ROS通信机制

机器人是一种高度复杂的系统性实现，在机器人上可能集成各种传感器(雷达、摄像头、GPS…)以及运动控制实现，为了解耦合，在ROS中每一个功能点都是一个单独的进程，每一个进程都是独立运行的。更确切的讲，ROS是进程（也称为Nodes）的分布式框架。 因为这些进程甚至还可分布于不同主机，不同主机协同工作，从而分散计算压力。

ROS 中的基本通信机制主要有如下三种实现策略:

• 话题通信(发布订阅模式)

• 服务通信(请求响应模式)

• 参数服务器(参数共享模式)

话题通信

话题通信是ROS中使用频率最高的一种通信模式，话题通信是基于发布订阅模式的，也即:一个节点发布消息，另一个节点订阅该消息。话题通信的应用场景也极其广泛，比如下面一个常见场景:

机器人在执行导航功能，使用的传感器是激光雷达，机器人会采集激光雷达感知到的信息并计算，然后生成运动控制信息驱动机器人底盘运动。

概念:以发布订阅的方式实现不同节点之间数据交互的通信模式。

作用:用于不断更新的、少逻辑处理的数据传输场景。

理论模型

话题通信实现模型是比较复杂的，该模型如下图所示,该模型中涉及到三个角色:

• ROS Master (管理者)
• Talker (发布者)
• Listener (订阅者)

ROS Master 负责保管 Talker 和 Listener 注册的信息，并匹配话题相同的 Talker 与 Listener，帮助 Talker 与 Listener 建立连接，连接建立后，Talker 可以发布消息，且发布的消息会被 Listener 订阅。

0. Talker注册
   Talker启动后，会通过RPC在 ROS Master 中注册自身信息，其中包含所发布消息的话题名称。ROS Master 会将节点的注册信息加入到注册表中。

1. Listener注册
   Listener启动后，也会通过RPC在 ROS Master 中注册自身信息，包含需要订阅消息的话题名。ROS Master 会将节点的注册信息加入到注册表中。

2. ROS Master实现信息匹配
   ROS Master 会根据注册表中的信息匹配Talker 和 Listener，并通过 RPC 向 Listener 发送 Talker 的 RPC 地址信息。

3. Listener向Talker发送请求
   Listener 根据接收到的 RPC 地址，通过 RPC 向 Talker 发送连接请求，传输订阅的话题名称、消息类型以及通信协议(TCP/UDP)。

4. Talker确认请求
   Talker 接收到 Listener 的请求后，也是通过 RPC 向 Listener 确认连接信息，并发送自身的 TCP 地址信息。

5. Listener与Talker件里连接
   Listener 根据步骤4 返回的消息使用 TCP 与 Talker 建立网络连接。

6. Talker向Listener发送消息
   连接建立后，Talker 开始向 Listener 发布消息。

注意1:上述实现流程中，前五步使用的 RPC协议，最后两步使用的是 TCP 协议
注意2: Talker 与 Listener 的启动无先后顺序要求
注意3: Talker 与 Listener 都可以有多个
注意4: Talker 与 Listener 连接建立后，不再需要 ROS Master。也即，即便关闭ROS Master，Talker 与 Listern 照常通信。

话题通信基本操作A(C++)

需求:编写发布订阅实现，要求发布方以10HZ(每秒10次)的频率发布文本消息，订阅方订阅消息并将消息内容打印输出。

1. 发布方

// 1.包含头文件 
#include "ros/ros.h"
#include "std_msgs/String.h" //普通文本类型的消息
#include <sstream>

int main(int argc, char  *argv[])
{   
    //设置编码
    setlocale(LC_ALL,"");

    //2.初始化 ROS 节点:命名(唯一)
    // 参数1和参数2 后期为节点传值会使用
    // 参数3 是节点名称，是一个标识符，需要保证运行后，在 ROS 网络拓扑中唯一
    ros::init(argc,argv,"talker");
    //3.实例化 ROS 句柄
    ros::NodeHandle nh;//该类封装了 ROS 中的一些常用功能

    //4.实例化 发布者 对象
    //泛型: 发布的消息类型
    //参数1: 要发布到的话题
    //参数2: 队列中最大保存的消息数，超出此阀值时，先进的先销毁(时间早的先销毁)
    ros::Publisher pub = nh.advertise<std_msgs::String>("chatter",10);

    //5.组织被发布的数据，并编写逻辑发布数据
    //数据(动态组织)
    std_msgs::String msg;
    // msg.data = "你好啊！！！";
    std::string msg_front = "Hello 你好！"; //消息前缀
    int count = 0; //消息计数器

    //逻辑(一秒10次)
    ros::Rate r(1);

    //节点不死
    while (ros::ok())
    {
        //使用 stringstream 拼接字符串与编号
        std::stringstream ss;
        ss << msg_front << count;
        msg.data = ss.str();
        //发布消息
        pub.publish(msg);
        //加入调试，打印发送的消息
        ROS_INFO("发送的消息:%s",msg.data.c_str());

        //根据前面制定的发送贫频率自动休眠 休眠时间 = 1/频率；
        r.sleep();
        count++;//循环结束前，让 count 自增
        //暂无应用
        ros::spinOnce();
    }


    return 0;
}

2. 订阅方

// 1.包含头文件 
#include "ros/ros.h"
#include "std_msgs/String.h"

void doMsg(const std_msgs::String::ConstPtr& msg_p){
    ROS_INFO("我听见:%s",msg_p->data.c_str());
    // ROS_INFO("我听见:%s",(*msg_p).data.c_str());
}
int main(int argc, char  *argv[])
{
    setlocale(LC_ALL,"");
    //2.初始化 ROS 节点:命名(唯一)
    ros::init(argc,argv,"listener");
    //3.实例化 ROS 句柄
    ros::NodeHandle nh;

    //4.实例化 订阅者 对象
    ros::Subscriber sub = nh.subscribe<std_msgs::String>("chatter",10,doMsg);
    //5.处理订阅的消息(回调函数)

    //     6.设置循环调用回调函数
    ros::spin();//循环读取接收的数据，并调用回调函数处理

    return 0;
}

3. 配置 CMakeLists.txt

add_executable(Hello_pub
  src/Hello_pub.cpp
)
add_executable(Hello_sub
  src/Hello_sub.cpp
)

target_link_libraries(Hello_pub
  ${catkin_LIBRARIES}
)
target_link_libraries(Hello_sub
  ${catkin_LIBRARIES}
)

4. 执行

1.启动 roscore;

2.启动发布节点;

3.启动订阅节点。

运行结果与引言部分的演示案例1类似。

5. 注意

补充0:

• vscode 中的 main 函数 声明 int main(int argc, char const *argv[]){}，默认生成 argv 被 const 修饰，需要去除该修饰符

补充1:

ros/ros.h No such file or directory …..

检查 CMakeList.txt find_package 出现重复,删除内容少的即可

参考资料:https://answers.ros.org/question/237494/fatal-error-rosrosh-no-such-file-or-directory/

补充2:

订阅时，第一条数据丢失

原因: 发送第一条数据时， publisher 还未在 roscore 注册完毕

解决: 注册后，加入休眠 ros::Duration(3.0).sleep(); 延迟第一条数据的发送

PS：可以使用 rqt_graph 查看节点关系。

话题通信基本操作B(Python)

1. 发布方

#! /usr/bin/env python
"""
    需求: 实现基本的话题通信，一方发布数据，一方接收数据，
         实现的关键点:
         1.发送方
         2.接收方
         3.数据(此处为普通文本)

         PS: 二者需要设置相同的话题


    消息发布方:
        循环发布信息:HelloWorld 后缀数字编号

    实现流程:
        1.导包 
        2.初始化 ROS 节点:命名(唯一)
        3.实例化 发布者 对象
        4.组织被发布的数据，并编写逻辑发布数据
"""
#1.导包 
import rospy
from std_msgs.msg import String

if __name__ == "__main__":
    #2.初始化 ROS 节点:命名(唯一)
    rospy.init_node("talker_p")
    #3.实例化 发布者 对象
    pub = rospy.Publisher("chatter",String,queue_size=10)
    #4.组织被发布的数据，并编写逻辑发布数据
    msg = String()  #创建 msg 对象
    msg_front = "hello 你好"
    count = 0  #计数器 
    # 设置循环频率
    rate = rospy.Rate(1)
    while not rospy.is_shutdown():

        #拼接字符串
        msg.data = msg_front + str(count)

        pub.publish(msg)
        rate.sleep()
        rospy.loginfo("写出的数据:%s",msg.data)
        count += 1

2. 订阅方

   #! /usr/bin/env python
   """
       需求: 实现基本的话题通信，一方发布数据，一方接收数据，
            实现的关键点:
            1.发送方
            2.接收方
            3.数据(此处为普通文本)
   
   
       消息订阅方:
           订阅话题并打印接收到的消息
   
       实现流程:
           1.导包 
           2.初始化 ROS 节点:命名(唯一)
           3.实例化 订阅者 对象
           4.处理订阅的消息(回调函数)
           5.设置循环调用回调函数
   
   """
   #1.导包 
   import rospy
   from std_msgs.msg import String
   
   def doMsg(msg):
       rospy.loginfo("I heard:%s",msg.data)
   
   if __name__ == "__main__":
       #2.初始化 ROS 节点:命名(唯一)
       rospy.init_node("listener_p")
       #3.实例化 订阅者 对象
       sub = rospy.Subscriber("chatter",String,doMsg,queue_size=10)
       #4.处理订阅的消息(回调函数)
       #5.设置循环调用回调函数
       rospy.spin()

3. 添加可执行权限
   终端下进入 scripts 执行:chmod +x *.py

4. 配置 CMakeLists.txt

   catkin_install_python(PROGRAMS
     scripts/talker_p.py
     scripts/listener_p.py
     DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_BIN_DESTINATION}
   )

5. 执行

1.启动 roscore;

2.启动发布节点;

3.启动订阅节点。

运行结果与引言部分的演示案例1类似。

PS：可以使用 rqt_graph 查看节点关系。

话题通信自定义msg

在 ROS 通信协议中，数据载体是一个较为重要组成部分，ROS 中通过 std_msgs 封装了一些原生的数据类型,比如:String、Int32、Int64、Char、Bool、Empty….

ROS中还有一种特殊类型：Header，标头包含时间戳和ROS中常用的坐标帧信息。会经常看到msg文件的第一行具有Header标头。

1. 定义msg文件

功能包下新建 msg 目录，添加文件 Person.msg

string name
uint16 age
float64 height

2. 编辑配置文件

package.xml中添加编译依赖与执行依赖

<build_depend>message_generation</build_depend>
<exec_depend>message_runtime</exec_depend>
<!-- 
exce_depend 以前对应的是 run_depend 现在非法
-->

CMakeLists.txt编辑 msg 相关配置

find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS
  roscpp
  rospy
  std_msgs
  message_generation
)
# 需要加入 message_generation,必须有 std_msgs

## 配置 msg 源文件
add_message_files(
  FILES
  Person.msg
)

# 生成消息时依赖于 std_msgs
generate_messages(
  DEPENDENCIES
  std_msgs
)

#执行时依赖
catkin_package(
#  INCLUDE_DIRS include
#  LIBRARIES demo02_talker_listener
  CATKIN_DEPENDS roscpp rospy std_msgs message_runtime
#  DEPENDS system_lib
)

3. 编译

后续说说

• 因为之前学过ros2，这里为了兼容ros1才学习的，具体在博客中就不详解了，详细内容查看官网文档

• http://www.autolabor.com.cn/book/ROSTutorials/