ros 学习

ROS 是一个用于在不同进程间匿名的发布、订阅、传递信息的中间件，主要用于机器人领域。 ROS 系统的核心部分是ROS网络(ROS Graph)。ROS网络是指在ROS系统中不同的节点间相互通信的连接关系。

本文章源文件

主要历史

2000s 斯坦福大学机器人软件系统框架

2007 年 ROS 正式发布，由柳树车库(willow garage)发起

2010 年 ROS 1.0 发布

2017 年 ROS 2.0 发布

支持系统

ROS1 主要安装在 linux ROS2 可以在 linux，windows macos，rtos 等操作系统之上

ROS 与 ROS2

ROS1 缺点

⽆实时性（real-time）
嵌⼊式设备不友好
对于⽹络通信的重依赖（需要⼤带宽且稳定的⽹络连接）
多⽤于学术应⽤
超⾼的灵活性带来的不规范的编程模式
原⽣的ROS仅⽀持单机器⼈

ROS2 优点

⽀持多机器⼈
对⼩型嵌⼊式设备和微控制器的⽀持
实时系统：⽀持实时控制，包括进程间和机器间通信的实时性
⽀持⾮理想⽹络环境：在低质量⾼延迟等⽹络环境下系统仍然能够⼯作
对产品环境的⽀持的能力规范的编程模型以⽀持基于ROS的⼤规模⽬的构建、开发和部署

构建系统

cmake

裸 cmake

setuptools

裸 python 安装工具

catkin

ROS1 使用，建立在 CMake 与 python setuptools 之上

ament

ROS2 新增

构建工具

`rosbuild`

ROS1 的极旧版编译打包系统

`catkin_make`

ROS1 使用

Catkin 包装了 CMake 与 python setuptools ,是用来完成整个编译过程的工具。相比 rosbuild，支持外部构建，CMake配置文件的自动生成等。

`catkin_make_isolated`

ROS1 使用相比 catkin_make 解决了隔离问题，但不支持并行编译。

`catkin-tools`

https://catkin-tools.readthedocs.io/en/latest/index.html https://catkin-tools.readthedocs.io/en/latest/migration.html

支持并行编译与隔离，能够单独构建每个包,防止构建串扰

`ament`

ROS2 新增，解决了 catkin 的许多问题，并且为了配合 ROS2 所以命名为 ament 与 catkin 区分。

`colcon`

ROS2 新增，支持编译 ROS1 与 ROS2，支持纯python软件包，无清单的 CMake 软件包等许多特性，在

包管理器

workspace 结构

src build devel src 目录下面以 package 为编译基本单元 catkin 递归查找 package

package 结构

package.xml CMakeLists.txt

CMakeLists.txt

cmake_minimum_required()
project
find_package
add_message_files()
add_service_files()
add_action_files()

generate_messages()
catkin_package()
add_library()
add_executable()

target_link_libraries()
catkin_add_gtest()
install()

package.xml

https://www.ros.org/reps/rep-0149.html: Package Manifest Format Three Specification

常见的标签有 name version description maintainer license buildtool_depend build_depend run_depend

manifest.xml(rosbuild 包信息清单)

可以忽略

文件夹

文件夹	作用
src	放置 cpp 源码或 python module
include	放置 cpp 头文件
scripts	放置脚本
msg	放置消息
srv	放置服务
action	放置活动
launch	放置 launch 文件作用是一次执行多个节点
config	放置配置文件 yaml 等格式

metapackage

只写了 run_depend 方便安装一堆相应的包

通信架构(计算图级)

通信方式

ROS1 依赖 tcp和udp协议 ROS2 依赖更复杂，完善的 DDS 系统

Topic

以 publish-subscribe 机制发布

node a 发布 /Topic, node b 订阅 /Topic /Topic 是一个字符串订阅异步多对多

message 数据类型

msg文件主要有如下数据类型： bool int8 int16 int32 int64 uint float32 float64 string time duration header array[] array[C]

Service

是一种同步通信方式 request-reply 通常在偶尔需要调用的情况下使用。是多对一的形式

srv

srv 文件中可以引用 msg文件,但无法引用新的 srv

my_pkg/srv/DetectHuman.srv

bool start_detect
--
my_pkg/HumanPose[] pose_data

上面的 HumanPose 必须有对应的 msg 文件 my_pkg/msg/HumanPose.msg

std_msgs/Header header
string uuid
int32 number_of_joints
my_pkg/JointPos[] joint_data

string joint_name
geometry_msgs/Pose pose
floar32 confidence

当在项目中增加 msg 文件时须修改配置文件 package.xml 添加 message_generation 与 message_runtime 依赖。

<package>
...
<build_depend>message_generation</build_depend>
<run_depend>message_runtime</run_depend>
...
</package>

在 CMakeList.txt find_package 中添加 std_msgs message_generation,并使用 add_message_files generate_messages 来使其工作

find_package(... roscpp rospy std_msgs message_generation)
catkin_package(
...
CATKIN_DEPENDS message_runtime ...
...)
add_message_files(
 FILES
 DetectHuman.srv
 HumanPose.msg
 JointPos.msg)
generate_messages(DEPENDEDCIES std_msgs)

Parameter Service 参数服务器

维护参数字典,可用命令行 launch node api 读写主要用来储存数据，格式为 yaml 格式

Action

用于长时间,可抢占任务,带显示进度的 service 底下是基于 topic 和 service。

-> goal
-> cancel

<- status
<- result
<- feedback

action 文件

这个文件分为三栏

goal 第一次发送 result 最后一次发回 feedback 每次都会发回

master

只在 ROS1 版本中存在

所有 node 在启动之后都会向 master 注册，它负责管理 node 通信，node 注册之后相关 node 之间会进行 p2p 通信， master 起中介作用

使用 roscore 启动 ros master，会顺便启动 rosout 日志输出和 parameter server 参数服务器

启动 node

ROS1 命令	ROS2 命令	作用
`rosrun _pkg_name_ _node_name_ [参数:=xxx]*`	`ros2 run _pkg_name_ _node_name_ [参数:=xxx]*`	启动单个 node

查看 node

ROS1 命令	ROS2 命令	作用
`rosnode list`	`ros2 node list`	列出 node
`rosnode info`	`ros2 node info`	查看 node 详情
`rosnode kill`	`ros2 lifecycle set _nodename_ shutdown`	关闭 node

分布式网络

ROS2 新增，允许在同一个区域网之间的 node 相互通信。如果不希望不允许的 node 相互通信可设置环境变量 ROS_DOMAIN_ID 进行分组，处于同一个 DOMAIN 的 node 才会互相通信。

QoS Policy：Quality of Service 服务质量

ROS2 新增,增加了适应场景的灵活性，可以通过调整来进行可靠性或实时性的选择

可参考 https://www.ros.org/reps/rep-2004.html

策略	作用
DEADLINE策略	表示通信数据必须要在每次截止时间内完成一次通信
HISTORY策略	表示针对历史数据的一个缓存大小
RELIABILITY策略	表示数据通信的模式，配置成 `BEST_EFFORT` ，就是尽力传输模式，网络情况不好的时候，也要保证数据流畅，此时可能会导致数据丢失，配置成RELIABLE，就是可信赖模式，可以在通信中尽量保证图像的完整性，我们可以根据应用功能场景选择合适的通信模式
DURABILITY策略	可以配置针对晚加入的节点，也保证有一定的历史数据发送过去，可以让新节点快速适应系统。

可以使用 ros2 topic info _topic_names_ --verbose 查看 qos 策略

tf

全称为 TransForm ，是坐标系数据维护工具,负责坐标变换的东西

tf 也可能指的是 tf tree 的标准，topic，调试tf的工具，接口等

urdf 文件定义连杆和关节

其中的部件叫做 link，frame 和 link 是绑定在一起的。

tf tree 的维护是很多 node 向对应的 topic 发信息，整个tf tree 不能有断裂的地方，必须是同一颗树。每个 frame 之间的数据格式是 TransformStamped.msg msg 为 tf/tfMessage.msg tf2_msgs/TFMessage.msg

在机械臂形态的机器人中，安装的位置叫做基本坐标系 base Frame，机器人安装位置在外部环境下的参考系叫做世界坐标系World Frame，机器人末端夹爪的位置叫做工具坐标系，外部被操作物体的位置叫做工件坐标系移动机器人的中心是基坐标系Base Link，雷达所在的位置叫做雷达坐标系laser link，机器人要移动，里程计会累积位置，这个位置的参考系叫做里程计坐标系odom，里程计又会有累积误差和漂移，绝对位置的参考系叫做地图坐标系map。坐标系变换可以分解为平移和旋转，通过四元数进行描述.

命令	作用
`rosrun tf view_frames`	根据当前 tf tree 创建 pdf 图
`rosrun rqt_tf_tree rqt_tf_tree`	查看当前 tf tree
`rosrun tf tr_echo _reference_frame_ _target_frame_`	查看两个 frame 之间的变换关系

urdf 文件

全称为 Unified Robot Description Format 统一机器人描述格式

主要用于可视化，仿真等方向其中主要两个概念 link 是连杆，joint 是连接两个 link 之间的关节用来给相应的可视化，仿真软件读取并建立模型。

xacro 文件格式

是 urdf 文件格式的升级版允许编程化编写 urdf 文件可参考 https://docs.ros.org/en/foxy/Tutorials/Intermediate/URDF/Using-Xacro-to-Clean-Up-a-URDF-File.html

定义常量

<xacro:property name="M_PI" value="3.14159" />
<origin xyz="0 0 0" rpy="${M_PI/2} 0 0" />

定义了常量 M_PI 可以在 ${} 中使用

数学计算

<origin xyz="0 0 0" rpy="${(motor_length+wheel_length)/2} 0 0" />

SLAM

是 simutaneous localization and mapping 的缩写

常用的软件包有： gmapping，karto，amcl，narigation

rmw

ROS2 新增加中间件接口 DDS/RTPS提供发现、序列化和传输功能 https://design.ros2.org/articles/ros_on_dds.html

常用命令

ROS1 命令	ROS2 命令	作用
`rospack find _package_name_`	`ros2 pkg prefix _package_name_`	查找 pkg 地址
`rospack list`	`ros2 pkg list`	列出本地所有 pkg
`rosed _package_name_ _file_name_`	`colcon edit` https://github.com/colcon/colcon-ed	编辑文件
`catkin_create_pkg`	`ros2 pkg create --build-type _build-type_ _package_name_`	创建包
`rosdep install`	`rosdep install`	安装依赖
`roscd _package_name_`	`colcon-cd` https://github.com/colcon/colcon-cd	切换到 package 目录
`rosls _package_name_`	ls `ros2 pkg prefix --share _package_name_ `	列出 package 文件

常用工具

launch

如果希望一次性启动好几个 node, 可以使用 roslaunch 启动 master 及多个 node 在 ROS2 使用 ros2 launch

launch 文件

具体参见 https://wiki.ros.org/roslaunch/XML

param 标签设置单个值

rosparam 标签设置多个值

<launch>
  ...
  <param name="abc" value="2" /> <!-- value = 2-->

  <param name="xxx" command="echo 1" /> <!-- value = 1-->

  <rosparam file="xxx.yaml" command="load"/> <!--load from xxx.yaml-->

  <rosparam>
    param3: 3
    param4: 4
  </rosparam>
  ...
</launch>

gazebo 模拟器

由 osrf 开发

是一款使用ODE物理引擎，用于动力学、导航、感知等任务的模拟器

新一代 gazebo 叫做 Ignition。

Rviz 三维可视化平台

The Robot Visualization tool 可视化工具，方便监控，调试

rqt

基于 qt 开发，主要用来可视化结构图

常用命令

命令	作用
`rqt_graph`	显示通信架构
`rqt_plot`	绘制曲线
`rqt_console`	查看日志

rosbag

记录和回放数据流文件格式为 .bag 可以记录订阅的 topic 到文件之中，用来回放

常用命令

ROS1 命令	ros2 命令	作用
`rosbag record _topic_names_`	`ros2 bag record _topic_names_`	记录某些 topic 到 bag 文件中
`rosbag record -a`	`ros2 bag record _topic_names_ -a`	记录所有 topic 到 bag 文件中
`rosbag play _bag_files_`	`ros2 bag play _bag_files_`	回放 bag 文件

bloom

http://wiki.ros.org/cn/bloom 是一个自动化发布工具，用来发布 ros 软件包见 https://docs.ros.org/en/eloquent/Tutorials/Releasing-a-ROS-2-package-with-bloom.html

语言

ROS 软件包通常使用 cpp 或者 python 来进行编写

cpp

roscpp

ROS1 使用 https://docs.ros.org/api/roscpp/html

rclcpp

ROS2 使用 https://github.com/ros2/rclcpp

python

rospy

ROS1 使用 http://wiki.ros.org/rospy

rclpy

ROS2 使用 https://github.com/ros2/rclpy

参考

http://dev.ros2.fishros.com/doc/index.html: ROS2 中文翻译文档
https://book.guyuehome.com/: ROS2 教程
https://design.ros2.org/articles/build_tool.html: 构建工具说明
https://doc.bwbot.org/zh-cn/books-online/ros2/: ROS2 教程
https://docs.ros.org/en/humble/Concepts/About-Different-Middleware-Vendors.html: ros2 dds 介绍
https://docs.ros.org/en/humble/Tutorials/Tf2/Tf2-Main.html: tf2 文档
https://www.bilibili.com/video/BV1PJ411D7mj/: ROS1 教程
https://www.guyuehome.com/34887: 使用colcon来构建packages
https://www.guyuehome.com/836: ament 编译系统介绍
https://zhuanlan.zhihu.com/p/446986825: 通用构建工具开发设计
https://zhuanlan.zhihu.com/p/466267968: 构建工具说明中文翻译
https://www.guyuehome.com/3750: ROS 历史介绍

可用资源

http://dev.ros2.fishros.com/
https://build.ros2.org
https://discourse.ros.org/
https://docs.ros.org
https://guyuehome.com/
https://index.ros.org/
https://packages.ros.org/
https://repo.ros2.org/
https://wiki.ros.org/

ros1 命令	ros2 命令	作用
`rostopic list`	`ros2 topic list`	列出 topic
`rostopic info /topic_name`	`ros2 topic info /topic_name`	显示属性
`rostopic echo /topic_name`	`ros2 topic echo /topic_name`	显示内容
`rostopic pub /topic_name ...`	`ros2 topic pub /topic_name ...`	发布内容
`rosmsg list`	`ros2 interface list`	列出 msg
`rosmsg show /msg_name`	`ros2 interface show /msg_name`	显示 msg 内容

ros1 命令	ros2 命令	作用
`rosservice list`	`ros2 service list`	列出活跃 service
`rosservice info _service_name_`	`ros2 service info _service_name_`	列出某个 service 的属性
`rosservice call _service_name_ args`	`ros2 service call _service_name_ args`	调用某个 service
`rossrv list`		列出系统上所有 srv
`rossrv show _srv_name_`		显示某个 srv 内容

ros1 命令	ros2 命令	作用
`rosparam list`	`ros2 param list`	列出所有参数
`rosparam get _param_key_`	`ros2 param get _param_key_`	显示某个参数的值
`rosparam set _param_key_ _param_value_`	`ros2 param set _param_key_ _param_value_`	设置某个参数的值
`rosparam dump _file_name_`	`ros2 param dump _file_name_`	保存参数到文件
`rosparam load _file_name_`	`ros2 param load _file_name_`	读取参数从文件
`rosparam delete _param_key_`	`ros2 param delete _param_key_`	删除参数

ROS1 命令	ROS2 命令	作用
	`ros2 action list`	查看列表
	`ros2 action info _action_`	查看类型
	`ros2 action send_goal _action_name_ _action_type_ _action_data_`	发送请求

Files

ros学习.org

Latest commit

History

ros学习.org

File metadata and controls

ros 学习

主要历史

支持系统

ROS 与 ROS2

构建系统

cmake

setuptools

catkin

ament

构建工具

rosbuild

catkin_make

catkin_make_isolated

catkin-tools

ament

colcon

包管理器

workspace 结构

package 结构

CMakeLists.txt

package.xml

manifest.xml(rosbuild 包信息清单)

文件夹

metapackage

通信架构(计算图级)

通信方式

Topic

message 数据类型

相关命令

Service

srv

相关命令

Parameter Service 参数服务器

相关命令

Action

action 文件

相关命令

master

启动 node

查看 node

分布式网络

QoS Policy：Quality of Service 服务质量

tf

urdf 文件

xacro 文件格式

定义常量

数学计算

SLAM

rmw

常用命令

常用工具

launch

launch 文件

gazebo 模拟器

Rviz 三维可视化平台

rqt

常用命令

rosbag

常用命令

bloom

语言

cpp

roscpp

rclcpp

python

rospy

rclpy

参考

可用资源

`rosbuild`

`catkin_make`

`catkin_make_isolated`

`catkin-tools`

`ament`

`colcon`