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ROS基础系列教程8:ROS开发的核心

2020-9-26 19:38| 发布者: waveshare_yf| 查看: 275| 评论: 0|原作者: waveshare|来自: waveshare

摘要: 在之前的课程当中,大家了解到了在ROS系统当中,所有的消息都是靠node(节点发出),在ROS Master(节点管理器)调节。那么是不是掌握了节点就是学会了ROS呢?并不是。 通讯,分布式通讯,这个只是ROS的核心功能之一 ...
  • 在之前的课程当中,大家了解到了在ROS系统当中,所有的消息都是靠node(节点发出),在ROS Master(节点管理器)调节。那么是不是掌握了节点就是学会了ROS呢?并不是。
  • 通讯,分布式通讯,这个只是ROS的核心功能之一。掌握了通讯,你可以轻而易举的研究透他人的程序包并转为己用,节点之间的通讯分为话题通讯、服务通讯、动作通讯三种。
  • 话题通讯,两个节点之间发布msg消息进行通讯,一个节点发布,一个节点订阅。这种通讯并不是实时的,大多数用于雷达、里程计等信息,是告知机器人一些数据信息。
  • 服务通讯,两个节点之间,Client客户端向Server服务端发起一个功能请求并传递相关参数,由Server服务端执行之后,将功能的实现反馈给Client客户端。这种通讯是实时的,有求比有应,大多数是用在一些固定的任务,获得任务的执行状态。比如拍照,如果Client客户端向Server服务端发群里拍照的请求,那么Server服务端在执行拍照之后,是要向Client客户端反馈一个信息,可能是一张图片,也可能是个flag标示,这个取决于你的程序设计。
  • 动作通讯的机制较为复杂,它和服务通讯存在相似点,都是实时通讯,但是比起服务通 讯,它更多的是在一组、多个“服务通讯”的情境下使用。对于刚刚接触ROS的萌新,我不 建议你们取了解动作通讯机制。
  • 这一节的内容是对我们之前内容的一个收尾。这一节的重点内容在于带着大家了解节点 和节点管理器到底是个什么,以及我们如何实现多台机器人通讯。同时,我们也会提供一个 Demo,让大家在虚拟场景下体验一下遥控。

关于节点和节点管理器的认知,如何搭建多机通讯

  • 我们先来聊聊节点和节点管理器。在之前的学习当中,我们知道ROS程序在运行的时 候,ROS Master必须是启动状态。因为ROS Master负责调度node节点,我们的ROS程序 在运行的时候,首先任务就是在ROS Master进行注册,然后通过ROS Master的调度来处理数据。ROS是一个分布式的框架,加入你现在有多台机器人,那么我们就可以把ROS Master作为总的数据处理中心,不同机器人,也就是不同主机在启动的时候,通过网络地 址,直接在总的数据处理中心,也就是ROS Master主机进行进行注册。




  • 如上图所示,在同一个域网下(即保证机器人与机器人处于同一个网络下),我们设定了192.168.0.100为主机,192.168.0.101和192.168.0.102为从机,那么三台机器人任何一台启动的节点,都会和主机相通,同时主机也会将节点列表(就是当前有哪些节点)告知两台从机,实现通讯。在这个过程中,主机一定要确保是启动状态,因为我们的从机在启动时会向主机发起连接请求,如果主机不在线,那么我们的从机时会启动失败的。
export ROS_MASTER_URI = http://主机IP:11311

这个指令是设定主机IP。

export ROS_HOSTNAME = 本机IP
  • 这个指令是设定当前机器IP。还有一个是ROS_IP,但是优先级比较低,我们在这里不做讨论,基本使用不到。以上指令添加到~/.bashrc,生效环境变量即可。
  • 这个位置的通讯很像MQTT通讯,从机与从机之间没有任何联系,只是从主机那里获得数据即可。主机不需要知道从机的地址,只是开发一个端口,从机通过主机的IP+端口,即可实现通讯。

    小车启动进行时

  • 我们在这里提供了一个小小的Demo,实现ROS在RVIZ仿真下的两轮差速小车。这个 内容的核心是在引导大家,熟悉两轮差速小车在ROS下的数据格式,请大家重点关注 cmd_vel速度指令话题和odom航迹推衍话题相关内容,同时也应该学会分析rqt_graph节 点关系图。




  • 我们先来看一下运行的效果图。我们启动了两个launch文件,一个负责启动RVIZ仿真 器和模型,一个负责启动按键控制节点。功能包mbot_teleops是键盘控制功能包,你也可 以使用turtlesim下的turtle_teleop_node(控制小海龟的那一个),不过需要你来绑定一 些消息;功能包mbot_description是模型功能包,我们的小车模型和RVIZ的配置文件。

mbot_description模型仿真功能包





  • 其中config是配置文件,是我们小车的一些参数以及RVIZ环境的一些参数;launch是 启动文件,现在有两个启动文件,display_mbot_with_camera_xacro.launch是查看当前 模型的,arbotix_mbot_with_camera_xacro.launch是仿真系统启动文件,我把键盘控制 的相关消息链接到了这个文件,可以实现键盘控制小车;meshes是材质文件库,在建立好 的模型增加一下贴图会更加逼真;urdf则是模型文件,里面有摄像头的模型、雷达的模型等 等。
  • 还有就是package.xml和CMakeList.txt,这个两个文件的内容如下。
    package.xml文件内容。
<?xml version="1.0"?>
<package format="2">
<name>mbot_description</name>
<version>0.0.0</version>
<description>The mbot_description package</description> 
<maintainer email="hcx@todo.todo">hcx</maintainer> 
<license>TODO</license>

<buildtool_depend>catkin</buildtool_depend> 

<build_depend>urdf</build_depend>

<build_depend>xacro</build_depend>

<build_export_depend>urdf</build_export_depend> 
<build_export_depend>xacro</build_export_depend> 

<exec_depend>urdf</exec_depend> 
<exec_depend>xacro</exec_depend> 

<export> 
</export> 
</package>

主要是在依赖项添加了urdf依赖和xacro依赖,其他内容没有。然后是CMakeList.txt文 件,内容如下。

cmake_minimum_required(VERSION 2.8.3)
project(mbot_description)

find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS
  urdf
  xacro
)

catkin_package(
#  INCLUDE_DIRS include
#  LIBRARIES mbot_description
#  CATKIN_DEPENDS urdf xacro
#  DEPENDS system_lib
)

include_directories(
# include
  ${catkin_INCLUDE_DIRS}
)
  • 同样,也是依赖urdf和xacro,其他的内容没有。如果不理解的,打击可以去看下我峨 嵋你的第三节,关于CMakeList.txt和package.xml讲解的相关内容。
  • 其他部分代码量过大,在这里不一一介绍,这个功能包会提供给大家,大家可以自行下载验证。

mbot_teleop键盘控制功能包

  • 接下来是mbot_teleop键盘控制功能,我们先来看一下目录。




  • 这个功能包只有一个mbot_teleop.launch键盘控制启动文件,以及一个Python的 mbot_teleop.py键盘控制文件,其次就是CMakeList.txt和package.xml文件。老规矩,我 们先来看一下package.xml文件的内容。
<?xml version="1.0"?> 
<package format="2"> 
<name>mbot_teleop</name>
<version>0.0.0</version>
<description>The mbot_teleop package</description> 
<maintainer email="hcx@todo.todo">hcx</maintainer> 
<license>TODO</license>

<buildtool_depend>catkin</buildtool_depend> 

<build_depend>geometry_msgs</build_depend> 
<build_depend>roscpp</build_depend>
<build_depend>rospy</build_depend> 

<build_export_depend>geometry_msgs</build_export_depend> 
<build_export_depend>roscpp</build_export_depend> 
<build_export_depend>rospy</build_export_depend> 

<exec_depend>geometry_msgs</exec_depend> 
<exec_depend>roscpp</exec_depend> 
<exec_depend>rospy</exec_depend>

<export>
</export>
</package>
  • 从这个文件可以看到,这个功能包依赖了roscpp、rospy和geometry_msgs三个功能 包,roscpp是ROS C++的功能包,rospy是ROS Python的功能包。对于geometry_msgs有没有觉得很眼熟呢?没错,这就是我们用来发布cmd_vel的功能包。欧克,这个文件很是清晰。我们再来看一下CMakeList.txt文件的内容。

cmake_minimum_required(VERSION 2.8.3) 
project(mbot_teleop)

find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS 
geometry_msgs 
roscpp 
rospy 
) 

catkin_package( 
# INCLUDE_DIRS include 
# LIBRARIES mbot_teleop 
# CATKIN_DEPENDS geometry_msgs roscpp rospy 
# DEPENDS system_lib 
) 

include_directories( 
# include 
${catkin_INCLUDE_DIRS} 
)

这个内容和package.xml的内容大同小异。 接下来就是我们的launch启动文件了,内容如下。

<launch> 

<node name="mbot_teleop" pkg="mbot_teleop" type="mbot_teleop.py" output="screen"> 
<param name="scale_linear" value="0.1" type="double"/> 
<param name="scale_angular" value="0.4" type="double"/>
</node>
</launch>
  • 可以看到,内容相当的简洁。scale_linear和scale_angular分别是线速度标定参数和角 速度标定参数,这是保证机器人运动准确的重要标准,在这里我的参数是直接做好的,无需 修改。这个launch文件只启动了一个mbot_teleop.py文件,也就是键盘控制。
  • 欧克,那么接下来我们来看下mbot_teleop.py的内容,如下。

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-

import rospy
from geometry_msgs.msg import Twist
import sys, select, termios, tty

msg = """
Control mbot!
---------------------------
Moving around:
   u    i    o
   j    k    l
   m    ,    .

q/z : increase/decrease max speeds by 10%
w/x : increase/decrease only linear speed by 10%
e/c : increase/decrease only angular speed by 10%
space key, k : force stop
anything else : stop smoothly

CTRL-C to quit
"""

moveBindings = {
        'i':(1,0),
        'o':(1,-1),
        'j':(0,1),
        'l':(0,-1),
        'u':(1,1),
        ',':(-1,0),
        '.':(-1,1),
        'm':(-1,-1),
           }

speedBindings={
        'q':(1.1,1.1),
        'z':(.9,.9),
        'w':(1.1,1),
        'x':(.9,1),
        'e':(1,1.1),
        'c':(1,.9),
          }

def getKey():
    tty.setraw(sys.stdin.fileno())
    rlist, _, _ = select.select([sys.stdin], [], [], 0.1)
    if rlist:
        key = sys.stdin.read(1)
    else:
        key = ''

    termios.tcsetattr(sys.stdin, termios.TCSADRAIN, settings)
    return key

speed = .2
turn = 1

def vels(speed,turn):
    return "currently:\tspeed %s\tturn %s " % (speed,turn)

if __name__=="__main__":
    settings = termios.tcgetattr(sys.stdin)

    rospy.init_node('mbot_teleop')
    pub = rospy.Publisher('/cmd_vel', Twist, queue_size=5)

    x = 0
    th = 0
    status = 0
    count = 0
    acc = 0.1
    target_speed = 0
    target_turn = 0
    control_speed = 0
    control_turn = 0
    try:
        print msg
        print vels(speed,turn)
        while(1):
            key = getKey()
            # 运动控制方向键(1:正方向,-1负方向)
            if key in moveBindings.keys():
                x = moveBindings[key][0]
                th = moveBindings[key][1]
                count = 0
            # 速度修改键
            elif key in speedBindings.keys():
                speed = speed * speedBindings[key][0]  # 线速度增加0.1倍
                turn = turn * speedBindings[key][1]    # 角速度增加0.1倍
                count = 0

                print vels(speed,turn)
                if (status == 14):
                    print msg
                status = (status + 1) % 15
            # 停止键
            elif key == ' ' or key == 'k' :
                x = 0
                th = 0
                control_speed = 0
                control_turn = 0
            else:
                count = count + 1
                if count > 4:
                    x = 0
                    th = 0
                if (key == '\x03'):
                    break

            # 目标速度=速度值*方向值
            target_speed = speed * x
            target_turn = turn * th

            # 速度限位,防止速度增减过快
            if target_speed > control_speed:
                control_speed = min( target_speed, control_speed + 0.02 )
            elif target_speed < control_speed:
                control_speed = max( target_speed, control_speed - 0.02 )
            else:
                control_speed = target_speed

            if target_turn > control_turn:
                control_turn = min( target_turn, control_turn + 0.1 )
            elif target_turn < control_turn:
                control_turn = max( target_turn, control_turn - 0.1 )
            else:
                control_turn = target_turn

            # 创建并发布twist消息
            twist = Twist()
            twist.linear.x = control_speed; 
            twist.linear.y = 0; 
            twist.linear.z = 0
            twist.angular.x = 0; 
            twist.angular.y = 0; 
            twist.angular.z = control_turn
            pub.publish(twist)

    except:
        print e

    finally:
        twist = Twist()
        twist.linear.x = 0; twist.linear.y = 0; twist.linear.z = 0
        twist.angular.x = 0; twist.angular.y = 0; twist.angular.z = 0
        pub.publish(twist)

    termios.tcsetattr(sys.stdin, termios.TCSADRAIN, settings)

代码的逻辑是通过按键操作,然后发布cmd_vel的角速度、线速度,cmd_vel的数据会 在仿真中得到解析,从而在仿真之中控制我们的小车。

让小车动起来

  • 现在就开始让我们的小车动起来吧!我们需要先启动模型仿真功能包,打开终端,输入 以下指令。
    roslaunch mbot_description arbotix_mbot_with_camera_xacro.launch
    

如果执行出错则可能没有装arbotix_python包,可以执行sudo apt-get install ros-melodic-arbotix
这个时候会启动我们的RVIZ并加载我们的小车,你看到了会是这样的。





  • 然后我们再开启一个终端,运行我们的键盘控制节点,打开终端,输入以下指令。
    roslaunch mbot_teleop mbot_teleop.launch
    
  • 这是启动我们的键盘控制功能,你看到的会是这样的。




  • u、i、o、j、k、l、m、,、。分别对应八个方位,k是停止。q是增加运动速度,z降 低运动速度;w增加线速度,x降低线速度;e增加角速度,c降低角速度。
  • 大家可以自行尝试以下。我们现在来看一下节点管理器,新打开一个终端,输入下面指令,即可打开节点关系图。
rqt_graph




  • 我们看到,mbot_teleop发布了cmd_vel的消息被arbotix订阅到,然后arbotix’发布了 joint_states的消息给了robot_state_publisher,joint_state_publisher节点也发布了 joint_states消息给robot_state_publisher节点。可是我们并没有使用joint_state_publisher节点,那么它就只是创建,而并没有被我们“用户”使用。
  • 在cmd_vel向仿真的转换过程当中,多了一个arbotix的节点来处理cmd_vel的数据, 这就是ROS!
  • 在ROS当中,很多功能不需要我们自己去写,ROS自身就给我们提供了很多的功能包赖完成任务,我们所需要做的就是“熟练”,如果你的ROS经验足够,那么一个项目对你来说可能就是相互调用包即可,当然肯定也是有自身的开发的。
  • 我们现在来看一下cmd_vel的内容。使用rostopic工具即可查看。
 rostopic echo /cmd_vel




  • 目前我们的小车没有运动,所以线速度和角速度持续为0,你可以在运动小车的时候来 监测以下cmd_vel的数值变化情况,看下是否只是X和Y的线速度变化,而Z的线速度不变; 是否只是Z的角速度变化,而X和Y的角速度不变。
  • 我们也可以来看一下joint_states的内容,同样也是使用rostopic工具。
rostopic list /joint_states




  • 可以看到,这是关于小车各个关节的姿态数据,通过cmd_vel向joint_states的转变, 实现了键盘控制仿真这样的一个功能。那么我们来思考一下,我们能否把这个cmd_vel数据发送给我们在现实世界中的小车呢?arbotix它还完成了哪些任务呢?
  • 我们现在使用rostopic list来查看一下所有的话题。




  • 原来不仅只是rqt_graph节点关系图显示出来的,还有这么多的内容。欧克,大家可以 自行使用rostopic功能来查看指定内容,这里我重点讲述一些odom航迹推演话题。我们先 来看下odom的内容是什么。

rostopic echo /odom




这是一组完整的odom数据,数据组成有pose实际XYZ坐标值、当前姿态的四元数,twist发布的线速度、角速度数据。所以,ROS下的两轮差速小车是这样滴。





  • cmd_vel是一个数据格式,也就是消息,odom也是一个数据格式,也是消息。我们可以根据左右轮速度计算得到Odom航迹,也可以发布一个cmd_vel来控制左右轮速度。在这 个过程中,陀螺仪的功能就由此展开。学生的常用的陀螺仪模块基本都是MPU6050模块,这是一款六轴陀螺仪,可以得到XYZ三轴的加速度以及XYZ三轴的角速度,通过陀螺仪来校准的Odom会让你的小车运行更加精准。
  • 更多内容,更多细节希望大家勇于尝试,你的ROS之旅,由此扬帆起航。

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关键词ROS 机器人

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