【机器人】ROS1程序框架：架构部分

描述

ROS是一个开发机器人软件的框架，软件被设计成许多互相之间高速传递信息的小程序。
ROS是一个介于典型客户端/服务器系统和完全分布式系统之间，因为有一个处于中央角色的roscore在为点对点信息服务提供命名服务。
ROS节点交换信息的渠道叫做话题（topic），一个定义了类型的消息流。
ROS对大量的底层实现进行了封装，很多网络编程中常见的概念在这里被封装成了高级接口。
ROS图中的节点表示的是独立运行的程序，而图中的边表示数据流。这些数据可以是传感器的数据、执行器的命令、规划器的状态等信息。

辅助工具

介绍：catkin是ROS的构建系统：ROS用于可执行程序、库、脚本和其他代码可以用的接口的一系列工具。
技巧：使用rqt_graph可以清晰看到当前启动节点的ROS图。
技巧：使用rostopic检查当前系统状态。相关帮助使用$rostopic -h进行查看
技巧：可以使用rosmsg来查看是否有已经满足你的需求的类型

软件结构

ROS以包括代码、数据和文档在内的包的形式进行管理。

核心结构

graph BT
    roscore(roscore)
    node1(node1)
    node2(node2)
    subgraph ros system
        roscore
        subgraph nodes
            node1
            node2
        end
        roscore -.->node1
        roscore -.->node2
    end

当一个新节点出现时，roscore向它提供连接其他节点的必要信息。
每个节点周期性地调用roscore提供的服务找到其他节点。
节点之间的信息交换是两个节点直接完成的

软件结构

graph TD

    subgraph "3.cd到ws"
        subgraph 编译包
            make_file
        end
        
        subgraph 运行节点
            initialisation_run
            run
            launch
        end
    end 

    subgraph "2.cd到ws下src"
        subgraph 初始化工作区
            initialisation_ws
        end

        subgraph 创建包
            create_pkg
            modify_info
        end
    end

    subgraph "1.系统环境"
        subgraph ROS环境配置
            install
            initialisation_ros
        end

        subgraph 创建工作目录
            mk_ws_dir
            mk_src_dir
        end
    end

    install-->
    initialisation_ros-.->
    mk_ws_dir-->
    mk_src_dir


    initialisation_ws-..->
    create_pkg-->
    modify_info

    make_file-..->
    initialisation_run-->run
    initialisation_run-->launch

系统路径/任意

确保ROS1安装正确

执行ROS初始化：$source /opt/ros/<ROS1版本名称>/setup.bash

新建工作目录：$mkdir -p <新建工作区路径>/src，-p parent参数表示按路径创建，同时创建src文件夹。

cd到工作区下的src文件夹

初始化工作区

执行工作区初始化命令：$catkin_init_workspace

新建包

执行新建包命令：$catkin_create_pkg <新包名称> rospy [<其他的依赖包>]

修改新创建的package.xml，添加包信息，例如版本号和包依赖等等。注意：包名称不允许修改。

cd到工作区ws下

编译工作区

执行catkin_make

运行编译好的包

cd到工作区

执行环境初始化：$source devel/setup.bash

运行：$rosrun <包名> <包内可执行程序/python脚本> [<其他参数>]（默认已经启动roscore）

运行：$roslaunch <包名> <包内.launch文件>

程序细节

命名问题

命名空间概念
1. ROS使用/来分隔命名空间，像是我们的文件系统一样
命名处理方法
在程序运行指令后按照下面的格式添加重命名规则。
1. 消息重命名：$rosrun <包名> <程序名> <消息名>:=<新消息名>
2. 命名空间重映射：$rosrun <包名> <程序名> __ns:=<新命名空间名称>。ns naming space，所有消息全部转移到新的命名空间，简单来讲就是所有名称前多了新命名空间的路径
3. 节点重命名：$rosrun <包名> <程序名> __name:=<新节点名>
  详见：【机器人】ROS程序运行指北

自动化问题

包内有代码，部分代码作为可执行程序存在，一个包会有很多的可执行程序，在包内程序执行一系列合作任务的时候使用.launch实现自动化。

launch文件结构：树状XML结构

- launch
  - node
    - name="<节点名称>"
    - pkg="<包名>"
    - type="<软件名>"
    - output="screen"，这是一个调试的方法，输出到终端。调试完成后可以去掉，以保证终端的干净。
  - node
    - ···

类型问题

基本类型列表

ROS消息类型	序列化结果	C++类型	Python类型	注释
bool	Unsigned 8-bit integer	uint8_t	Boolean
int8	Signed 8-bit integer	int8_t	Int
uint8	Unsigned 8-bit integer	uint8_t	Int	uint[]8 在python中以String表示
int16	Signed 16-bit integer	int16_t	Int
uint16	Unsigned 16-bit integer	uint16_t	Int
int32	Signed 32-bit integer	int32_t	Int
uint32	Unsigned 32-bit integer	uint32_t	Int
int64	Signed 64-bit integer	int64_t	Int
uint64	Unsigned 64-bit integer	uint64_t	Int
float32	32-bit IEEE float	float	Float
float64	64-bit IEEE float	double	Float
string	ASCII string	std::string	String	ROS不支持Unicode字符串，需要用UTF-8编码
time	secs/nsecs unsigned 32-bit ints	rows::Time	rospy.Time	duration

注意python中的类型和ROS内置类型存在差异，犹如c++的int8和python的Int（32位）。所以在Python使用范围受限的ROS类型时一定要小心。
ROS中的类型已经很丰富了，可以使用rosmsg来查看是否有已经满足你的需求的类型。推荐优先使用已有类型，可以更方便与已有包/软件交互。如果没有，那么可以就需要自定义。

graph TD
    subgraph cd到ws下的src下的包下的msg
        subgraph 新建
            msg_new["编辑<类名>.msg文件"] --> 
            catkin_make1[catkin_make]-->
            build_depend[确认package.xml文件]-->
            cmak[编辑CMake.txt文件]
        end
        subgraph 修改
            msg_edit["编辑<类名>.msg文件"]-->
            catkin_make2[catkin_make]-.如果存在调用关系..->
            catkin_make_other
        end

    end

自定义消息

自定义消息在包下的msg目录中的消息定义文件说明。

自定义消息<类名>.msg文件结构

一个<类型> <名称>的列表

定义以后使用catkin_make进行编译/处理,生成一系列文件。

添加消息构建依赖到package.xml

修改CMakeLists.txt文件