《鴻蒙機器人編程》4-編寫及編譯ROS程序-教案

ROS星火計劃 ROS通信及工作機制 NXROBO&ExBotROS通信及工作機制上一講中，主要講解了ROS功能包系統(tǒng)依賴的管理、編譯構(gòu)建系統(tǒng)、工作空間的創(chuàng)建和疊加、功能包的創(chuàng)建及package.xml文件的規(guī)則。這一講繼續(xù)進行功能包的相關內(nèi)容學習，主要從以下幾方面進行：? ROSnode的編寫規(guī)則? CMakeLists.txt文件規(guī)則? 功能包的編譯至此我們已經(jīng)了解了功能包文件結(jié)構(gòu)及相關配置文件的規(guī)則，下面開始著手編寫最簡單的功能包代碼。ROS編程的一般流程前面我們講這個ROS編程呢一般是我們首先得給他創(chuàng)建這個工作空間，如果這個工作空間已經(jīng)有了那就可以直接在這個工作空間里面來去做相應工作。然后就是創(chuàng)建這個ROS的功能包就可以去這個編寫自己的代碼了。編程語言的選擇C++作為編譯類語言，運行時執(zhí)行效率高，適合就算兩較大的算法類程序。C++作為ROS原生語言，基于roscpp，功能全面完整。Python作為解釋型語言，執(zhí)行效率低，一般不適合大型算法類程序，但其編碼效率較高，修改程序方便，可快速成形和測試。基于rospy，ROS有些功能沒有pyhton接口。編程工具選擇至于代碼編輯器或IDE的選擇，建議使用Vim或Eclipse。Vim可以讓你專注編碼，而且有很多插件，實現(xiàn)代碼補全、語法高亮、文件管理等功能，但如果沒用過，上手需要一段時間，命令掌握不熟反而效率更低。Eclipse交互界面更加為友好，有支持C++版本，使用PytDev插件實現(xiàn)支持Python。ROS通信層中間件可以說是ROS系統(tǒng)的核心，我們之前介紹的ROS系統(tǒng)諸多特性與功能都基于此，我們這節(jié)課就要仔細討論ROS通信中間件的原理與topic/service具體實現(xiàn)，為我們之后進一步理解ROS框架，使用ROS通信api打好基礎。之前介紹過，ROS的通信層設計是基于網(wǎng)絡運輸層tcp/udp協(xié)議，而最為重要的一點是，ROS的computationalgraph（計算圖）概念。ROS的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)為p2p，節(jié)點間互相獨立。下面進行ROS通信層中的術語解析。ROSnode的基本結(jié)構(gòu)ROS核心函數(shù)和類ros::init()初始化函數(shù)ros::spin()事件循環(huán)函數(shù)ros::spinOnce()單詞事件函數(shù)ros::start()啟動函數(shù)ros::shutdown()關閉函數(shù)ros::NodeHandle()節(jié)點句柄類ros::Publisher()發(fā)布器類ros::Subscriber()訂閱器類ros::Rateloop_rate()循環(huán)速率類node初始化——ros::init()通過調(diào)用ros::init()函數(shù)來初始化node。此函數(shù)向ROS系統(tǒng)傳遞命令行參數(shù)、定義node名字及其它參數(shù)。

在調(diào)用roscpp其它函數(shù)前必須先調(diào)用ros::init()，其函數(shù)原型為：argc和argv：ROS解析命令行參數(shù)進行參數(shù)映射。參數(shù)映像語法為name:=new_name，如：$rosrunbeginner_tutorialstestfoo:=/a/foo具體請查閱RemappingArguments/RemappingArguments如果手動指定這兩個參數(shù)，那命令行參數(shù)就不能傳送進來，可在此之前進行命令行參數(shù)的分析與處理。name：定義node的名字，不能帶命名空間，可通過映射參數(shù)覆蓋。在ROS系統(tǒng)中要保證Node名字唯一，如果運行同名的node，先運行的node會自動關閉。如果想一個node能同時多實例運行，可以通過設置option為init_options::AnonymousName，當然通過參數(shù)映射同樣能實現(xiàn)。options：這個參數(shù)是可選項，是一個位結(jié)構(gòu)體，所以可指定多個選項值，可設置的值有：ros::init_options::NoSigintHandler

指定此參數(shù)將不創(chuàng)建SIGINT信號處理器。如果設置了此參數(shù)，為了使node能被正常關閉，需要自行創(chuàng)建SIGINT信號的處理器。SIGINT信號是UNIX系統(tǒng)用來結(jié)束進程的，一般由CTRL+C等方式觸發(fā)。ros::init_options::AnonymousName

指定此參數(shù)將在node名字后追加一個隨機數(shù)，這樣同一個node被多次運行時，每個實例名是唯一的。ros::init_options::NoRosou

指定此參數(shù)將不把ros控制臺的輸出信息廣播到/rosout這個topic上。除了上面介紹的初始化函數(shù)，還有兩種ros::init()的重載函數(shù)：這兩個重載函數(shù)將argc和argv替換成直接指定映像參數(shù)。node啟動——ros::NodeHandlenhros::NodeHandl負責實例化與這個node有關的publisher/subscriber/service/parameterserver對象。通過創(chuàng)建ros::NodeHandle實例來啟動node。這是最通常的做法，此步驟也可通過其他方式完成。第一個ros::NodeHandle實例創(chuàng)建后就會調(diào)用ros::start()，最后一個ros::NodeHandle實例銷毀后就會調(diào)用ros::shutdown()。函數(shù)ros::start()才真正開始執(zhí)行node的內(nèi)部功能，包括運轉(zhuǎn)線程、開始網(wǎng)絡輪詢和xmlrpc循環(huán)、連接內(nèi)部訂閱、運行service服務端等。函數(shù)ros::shutdown()是關閉node的，主要過程有斷開一切網(wǎng)絡連接（用于TOPIC和SERVICE）、從節(jié)點管理器（master）注銷。函數(shù)ros::spin()函數(shù)進入事件循環(huán)。創(chuàng)建發(fā)布器發(fā)布器由ros::NodeHandle的實例化對象創(chuàng)建，將所發(fā)布主題的名稱和對應的消息類型告知節(jié)點管理器發(fā)布器創(chuàng)建方式：ros::Publisherpub=nh.advertise<message_type>(topic_name,buff_len);topic_name：話題名稱，指定往那個話題上發(fā)消息。message_type：消息類型，指定該話題（topic）上傳輸什么類型的消息。buff_len：發(fā)送緩沖區(qū)大小創(chuàng)建訂閱器訂閱器由ros::NodeHandle的實例化對象創(chuàng)建，將所發(fā)布主題的名稱和對應的消息類型告知節(jié)點管理器訂閱器創(chuàng)建方式：ros::Subscribersub=nh.subscribe(topic_name,buff_len,callback_func);topic_name：話題名稱，指定往那個話題上獲取消息。buff_len：接收緩沖區(qū)大小。callback_func：回調(diào)函數(shù)，即話題（topic）上有數(shù)據(jù)的時候，你要怎么處理這些數(shù)據(jù)。需要程序員明確定義此函數(shù)。創(chuàng)建服務器服務器由ros::NodeHandle的實例化對象創(chuàng)建，將服務名稱和服務響應函數(shù)告知節(jié)點管理器，對外廣播所能提供的服務。服務器創(chuàng)建方式：ros::ServiceServer=nh.advertiseService(service_name,service_func);service_name：服務名稱，指定能提供哪個服務。service_func：響應服務請求的處理函數(shù)，既有客戶端請求服務事，你要怎么處理這些請求。需要程序員明確定義一次函數(shù)。創(chuàng)建服務器客戶端服務客戶端由ros::NodeHandle的實例化對象創(chuàng)建，將請求的名稱和服務類型告知節(jié)點管理器?？蛻舳藙?chuàng)建方式：ros::ServiceClientclient=nh.ServiceClient(service_type,service_name);service_name：服務名稱，指定在哪個服務上請求服務。service_type：服務類型，指定出請求和響應的類型。主循環(huán)循環(huán)條件ros::ok():當接受到ctrl+c信號或者ros::shutdown()調(diào)用時，為false，終止運行節(jié)點。主循環(huán)中，使用ros::rate實現(xiàn)將循環(huán)一次的時間控制在一個我們設置的一個周期內(nèi)。ROS_INFO();publish();編寫CMakeLists.txt文件Cmakelist.txt作用CMakeLists.txt文件CMake構(gòu)建系統(tǒng)的配置文件，用于描述代碼如何編譯構(gòu)建以及安裝到何位置等參數(shù)，CMake根據(jù)此檔生成makefiles文件，任何兼容CMake的軟件包至少包含一個CMakeLists.txt文件。相比普通的CMake項目，catkin項目中的CMakeLists.txt只是額外多加了幾條約束。Cmakelist.txt作用CMake最低版本要求

(cmake_minimum_required)規(guī)定CMake的最低版本，catkin構(gòu)建必須以此行開頭，使用cmake_minimum_required宏命令。cmake_minimum_required(VERSION2.8.3功能包名(project())通過CMake的project()宏命令定義功能包名稱，cmake腳本中通過${PROJECT_NAME}訪問。創(chuàng)建環(huán)境變量${PROJECT_NAME}_BINARY_DIR和${PROJECT_NAME}_SOURCE_DIR。project(beginner_tutorials)構(gòu)建時需要的其它CMake/Catkin軟件包

構(gòu)建此工程時需要的其它CMake/Catkin軟件包，而且是構(gòu)建依賴而非運行依賴，使用find_package()宏命令格式：find_package(<name>[[REQUIRED|COMPONENTS][componets...]])catkin是必須要定義：find_package(catkinREQUIRED)在CMake會話，工程依賴的其它包會自動作為catkin的組件（components）加入，如果將其加入到find_package()中則過程則簡單得多：find_package(catkinREQUIREDCOMPONENTSstd_msgsrospyroscpp)find_package()宏命令會創(chuàng)建<NAME>_FOUND、<NAME>_INCLUDE_DIRS或<NAME>_INCLUDES、<NAME>_LIBRARIES或<NAME>_LIBS、<NAME>_DEFINITIONS這幾個環(huán)境變量，以供CMake腳本調(diào)用，具體情況可在構(gòu)建成功后查看工作空間build目錄下的CMakecache.txt文件。處理Message/Service/Action文件

Messages(.msg)、services(.srv)和actions(.action)三個文件需要進行預處理以便于功能包構(gòu)建使用，生成所支持的編程語言需要并識別的文件：add_message_files()add_service_files()add_action_files()其后加上宏：generate_messages()處理Message/Service/Action文件還需在find_package()宏中添加功能包信息參數(shù)，如：find_package(catkinREQUIREDCOMPONENTSmessage_generation)而且在package.xml文件中必須添加message_generation、actionlib和actionlib_msgs為構(gòu)建依賴；message_runtime、actionlib和actionlib_msgs為運行依賴，如果此功能包依賴的其它功能包中已包含此依賴則不必再次添加。提示：actionlib*在需處理.action檔情況下添加比較完整的示例，（假設這些messages依賴std_msgs和sensor_msgs），如：CMakList.txt規(guī)則定義功能包構(gòu)建的輸出信息

，為構(gòu)建系統(tǒng)提供catkin特有的信息以供系統(tǒng)生成pkg-config和CMake文件，通過catkin構(gòu)建系統(tǒng)的catkin_package()宏實現(xiàn)。其有5個可選參數(shù)：INCLUDE_DIRS

此功能包輸出的包含路徑（如用于：cflags）LIBRARIES

功能包輸出的庫CATKIN_DEPENDS

依賴的其它catkin工程DEPENDS

依賴的非catkin的CMake工程CFG_EXTRAS

其它配置項定義構(gòu)建目標，構(gòu)建目標包括可執(zhí)行程序和庫文件，主要定義內(nèi)容包括：頭文件路徑庫路徑目標構(gòu)建規(guī)則單元測試

通過catkin的宏catkin_add_gtest()實現(xiàn)：安裝規(guī)則

構(gòu)建完成后，所有構(gòu)建目標將會存放于catkin工作空間的devel目錄，如果想用makeinstall執(zhí)行安裝操作，就必須定義安裝規(guī)則。安裝對象一般有可執(zhí)行程序或腳本、庫、頭文件、roslaunch文件及其它資源類文件。規(guī)則定義通過install()宏實現(xiàn)，有四種參數(shù)：TARGETS需安裝的對象ARCHIVEDESTINATION靜態(tài)庫和DLL的清單文件LIBRARYDESTINATION非DLL共享庫和模塊RUNTIMEDESTINATION可執(zhí)行對象和DLL形式的共享庫定義構(gòu)建目標包含路徑通過include_directories()和link_directories()兩個宏實現(xiàn)，分別表示要包含的頭文件路徑和庫路徑。頭文件路徑可以手動指定路徑也可以使用由find_package()宏生成的形如*_INCLUDE_DIRS這樣的CMake變量。庫路徑，無特殊情況，一般都由find_package()自動生成添加。目標規(guī)則主要指定構(gòu)建的目標名稱及其源文件和鏈接需要的庫，由add_executable()和add_library()兩個宏分別實現(xiàn)可執(zhí)行程序和庫目標定義。語法如下：使用target_link_libraries()宏來定義可執(zhí)行程序鏈接需要的庫：安裝規(guī)則形式如下：Python綁定庫必須安裝到特殊的活頁夾以便于其它Python代碼import：頭文件安裝規(guī)則示例如下：roslaunch文件等資源文件的安裝規(guī)則示例如下：對于Python執(zhí)行代碼，catkin提供catkin_install_python()宏來解決Python代碼的安裝規(guī)則：對于Python模塊，通過添加*catkin_python_setup()*宏安裝。此宏調(diào)用setup.py，實現(xiàn)Python模塊的安裝。

其它細節(jié)問題請查閱catkin文檔和CMake文檔。編譯構(gòu)建功能包編寫好package.xml、CMakelist.txt及功能代碼就可以進行編譯構(gòu)建了。編譯構(gòu)建工作在catkin工作空間頂層目錄下進行：$cd~/catkin_ws

$catkin_make編譯構(gòu)建部分指定的包：$catkin_make-DCATKIN_WHITELIST_PACKAGES=”package1;package2”需要安裝的話，就執(zhí)行：$catkin_makeinstall編寫CMakeLists.txt文件1.node初始化——rospy.init_node()rospynode初始化是其進程的初始化，包括指定node的名字、ROS的輸出信息級別、是否創(chuàng)建SIGINT信號處理器，由**init_node()**函數(shù)完成，其原型如下：name(str):Node的名字，在ROS系統(tǒng)中唯一，而且不加命名空間。argv([str]):傳遞進來的命令行參數(shù)，包括映射參數(shù)，默認為sys.argv。如果指定argv，則必須在創(chuàng)建任何rospy數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之前調(diào)用init_node()。anonymous(bool):如果是True，則在指定的node名字后加隨機數(shù)，保證多實例運行時最終node名唯一。但這樣的node不能重映射名字。log_level(int):定義發(fā)送message給/rosout及記錄日志文件的日志級別，可用值有：rospy.DEBUG,rospy.INFO,rospy.ERROR,rospy.WARN,rospy.FATAL，一般設置成INFO。disable_signals(bool):如果設置成True，則rospy不會注冊自帶的信號handler，需要手動調(diào)用rospy