1 ROS核心概念

1.1 节点（Node）

（1）执行具体任务的进程、独立运行的可执行文件

（2）不同节点可以使用不同的语言，可分布式运行在不同的主机

（3）节点在系统中的名称必须是唯一的

1.2 节点管理器（ROS Master）

（1）为节点提供命名和注册服务

（2）跟踪和记录话题/服务通信，辅助节点相互查找、建立连接

（3）提供参数服务器，节点使用此服务器存储和检索运行时的参数

1.3话题（Topic）异步通信机制

（1）节点间用来传输数据的重要总线

（2）使用发布/订阅模型，数据由发布者传输到订阅者，同一个话题的订阅者或发布者可以不唯一

1.4消息（Message）话题数据

（1）具有一定的类型和数据结构，包括ROS提供的标准类型和用户自定义类型

（2）使用编程语言无关的.msg文件定义，编译过程中生成对应的代码文件

1.5服务（Service）同步通信机制

（1）使用客户端/服务器（C/S）模型，客户端发送请求数据，服务端完成处理后返回应答数据

（2）使用编程语言无关的.srv文件定义请求和应答数据结构，编译过程中生成对应的代码文件

1.6 参数（Parameter）全局共享字典

（1）可通过网络访问的共享、多变量字典

（2）字节使用此服务器来存储和检索运行时的参数

（3）适合存储静态、非二进制的配置参数，不适合存储动态配置的数据

2 ROS命令行工具

2.1 小海龟

启动ROS Master

roscore

启动小海龟仿真器

rosrun turtlesim turtlesim_node

启动海归控制节点

rosrun turtlesim turtle_teleop_key

2.2 rqt基于qt的可视化工具

rqt_graph

回车之后出现以下窗口，是以图形显示节点和消息之间的相关关系的工具

2.3 rosnode

2.3.1查看某一个节点的ping值

rosnode ping /节点名称

2.3.2将系统中所有的节点都列出来

rosnode list

2.3.3查看某一个节点的具体信息

rosnode info /节点名称

2.3.4查看运行的机器名称

rosnode machine

2.3.5杀死ros节点

rosnode kill

2.4 rostopic

2.4.1打印系统中所有的话题列表

rostopic list

2.4.2发布数据给某一个topic

rostopic pub /话题名 /话题消息类型

例如小海龟

输入

rostopic pub /turtle1/cmd_vel 按下tab 按下tab

出现以下情况，即可设置小海龟的速度和角度

 在速度x方向改为1之后，海归会前行一段距离即停下，因为执行后默认运行一次，此时需要在pub后加上-r +频率，例如加上-r 10  即以10Hz的频率执行，1s发布10次1m/s的指令

rostopic pub -r 10 /turtle1/cmd_vel 按下tab 按下tab

2.5 rosmsg

查看数据结构，例如查看上一个小海龟的数据结构，show后边的是上边按两次tab出来的

rosmsg show geometru_msgs/Twist

2.6 rosservice

2.6.1 查看所有service的内容

rosservice list

2.6.2产生新的内容

例如小海龟中产生新的海归

rosservice call /spawn Tab

然后更改x、y和名称

2.7 rosbag

记录ros中所有内容并保存下来

rosbag record -a -O cmd_record

话题复现

rosbag play cmd_record.bag

3 工作空间与功能包

3.1 工作空间

工作空间（workspace）是一个存放工程开发相关文件的文件夹

src：代码空间（Source Space）

build：编译空间（Build Space）

devel：开发空间（Development Space）

install：安装空间（Install Space）

3.2 建立过程

3.2.1创建工作空间

mkdir -p ~/catkin_ws/srccd ~/catkin_ws/srccatkin_init_workspace

3.2.2编译工作空间

cd ~/catkin_ws/catkin_make

3.2.3产生install文件

catkin_make install

3.2.4设置环境变量

source devel/setup.bash

3.2.5检查环境变量

echo $ROS_PACKAGE_PATH

3.3 创建功能包

3.3.1创建功能包

catkin_create_pkg <package name> [depend1] [depend2] [depend3]

cd ~/catkin_ws/srccatkin_create_pkg test_pkg std_msgs rospy roscpp

3.3.2编译功能包

cd ~/catkin_wscatkin_makesource ~/catkin_ws/devel/setup.bash

4 发布者Publisher编程实现

通过编程使海龟动起来

4.1创建一个功能包并编译

cd ~/catkin_ws/srccatkin_create_pkg learning_topic roscpp rospy std_msgs geometry_msgs turtlesim.cd ..catkin_make

4.2 如何实现一个发布者

（1）初始化ROS节点

（2）向ROS Master注册节点信息，包括发布的话题名和话题中的消息类型

（3）创建消息数据

（4）按照一定的频率循环发布信息

4.3代码实现

在创建的功能包learning_topic功能包中的src中创建一个cpp文件velocity_publisher.cpp

/*** 该例程将发布turtle1/cmd_vel话题，消息类型geometry_msgs::Twist*/#include <ros/ros.h>#include <geometry_msgs/Twist.h>int main(int argc, char **argv){// ROS节点初始化ros::init(argc, argv, "velocity_publisher");// 创建节点句柄ros::NodeHandle n;// 创建一个Publisher，发布名为/turtle1/cmd_vel的topic，消息类型为geometry_msgs::Twist，队列长度10ros::Publisher turtle_vel_pub = n.advertise<geometry_msgs::Twist>("/turtle1/cmd_vel", 10);// 设置循环的频率ros::Rate loop_rate(10);int count = 0;while (ros::ok()){// 初始化geometry_msgs::Twist类型的消息geometry_msgs::Twist vel_msg;vel_msg.linear.x = 0.5;vel_msg.angular.z = 0.2;// 发布消息turtle_vel_pub.publish(vel_msg);ROS_INFO("Publsh turtle velocity command[%0.2f m/s, %0.2f rad/s]", vel_msg.linear.x, vel_msg.angular.z);// 按照循环频率延时loop_rate.sleep();}return 0;}

添加CMakeLists.txt中编译规则

add_executable(velocity_publisher src/velocity_publisher.cpp)target_link_libraries(velocity_publisher ${catkin_LIBRARIES})

add_executable：将第二个位置的文件编译成第一个可执行文件

target_link_libraries：将ROS的可执行文件与ROS的库进行链接

编译并运行发布者

cd ~/catkin_wscatkin_makesource devel/setup.bashroscorerosrun turtlesim turtlesim_nodesource devel/setup.bashrosrun learning_topic velocity_publisher

5 订阅者Subscriber编程实现

使用订阅者定位海龟的位置信息

 5.1 如何实现一个订阅者

（1）初始化ROS节点

（2）订阅需要的话题

（3）循环等待话题消息，接收到消息后进入回调函数

（4）在回调函数中完成消息处理

5.2 代码实现

/*** 该例程将订阅/turtle1/pose话题，消息类型turtlesim::Pose*/#include <ros/ros.h>#include "turtlesim/Pose.h"// 接收到订阅的消息后，会进入消息回调函数void poseCallback(const turtlesim::Pose::ConstPtr& msg){// 将接收到的消息打印出来ROS_INFO("Turtle pose: x:%0.6f, y:%0.6f", msg->x, msg->y);}int main(int argc, char **argv){// 初始化ROS节点ros::init(argc, argv, "pose_subscriber");// 创建节点句柄ros::NodeHandle n;// 创建一个Subscriber，订阅名为/turtle1/pose的topic，注册回调函数poseCallbackros::Subscriber pose_sub = n.subscribe("/turtle1/pose", 10, poseCallback);// 循环等待回调函数ros::spin();return 0;}

 添加CMakeLists.txt中编译规则

add_executable(pose_subscriber src/pose_subscriber.cpp)target_link_libraries(pose_subscriber ${catkin_LIBRARIES})

add_executable：将第二个位置的文件编译成第一个可执行文件

target_link_libraries：将ROS的可执行文件与ROS的库进行链接

编译并运行发布者

cd ~/catkin_wscatkin_makesource devel/setup.bashroscorerosrun turtlesim turtlesim_nodesource devel/setup.bashrosrun learning_topic pose_subscriber

6 话题消息的订阅和使用

传输一个名称、年龄等个人信息

6.1 如何自定义话题消息

（1）定义msg文件，即定义

（2）在package.xml中添加功能包依赖

<build_depend>message_generation</build_depend><exec_depend>message_runtime</exec_depend>

(3)在CMakeLists.txt中增加编译选项

find_package(...... message_generation)add_message_files(FILES Person.msg)generation_messages(DEPENDENCIES std_msgs)catkin_package(...... message_runtime)

（4）编译生成语言相关文件

6.2 代码编写

（1）Person.msg文件

string nameuint8 sexuint8 ageuint8 unknownuint8 male=1uint8 female=2

（2）在package.xml中添加功能包依赖

<build_depend>message_generation</build_depend><exec_depend>message_runtime</exec_depend>

(3)在CMakeLists.txt中增加编译选项

find_package(...... message_generation)add_message_files(FILES Person.msg)generation_messages(DEPENDENCIES std_msgs)catkin_package(...... message_runtime)

（4）代码

Person_publisher.cpp

/***********************************************************************Copyright 2020 GuYueHome (www.guyuehome.com).***********************************************************************//*** 该例程将发布/person_info话题，自定义消息类型learning_topic::Person*/#include <ros/ros.h>#include "learning_topic/Person.h"int main(int argc, char **argv){// ROS节点初始化ros::init(argc, argv, "person_publisher");// 创建节点句柄ros::NodeHandle n;// 创建一个Publisher，发布名为/person_info的topic，消息类型为learning_topic::Person，队列长度10ros::Publisher person_info_pub = n.advertise<learning_topic::Person>("/person_info", 10);// 设置循环的频率ros::Rate loop_rate(1);int count = 0;while (ros::ok()){// 初始化learning_topic::Person类型的消息learning_topic::Person person_msg;person_msg.name = "Tom";person_msg.age = 18;person_msg.sex = learning_topic::Person::male;// 发布消息person_info_pub.publish(person_msg);ROS_INFO("Publish Person Info: name:%s age:%d sex:%d", person_msg.name.c_str(), person_msg.age, person_msg.sex);// 按照循环频率延时loop_rate.sleep();}return 0;}

Person_subscriber.cpp

/***********************************************************************Copyright 2020 GuYueHome (www.guyuehome.com).***********************************************************************//*** 该例程将订阅/person_info话题，自定义消息类型learning_topic::Person*/#include <ros/ros.h>#include "learning_topic/Person.h"// 接收到订阅的消息后，会进入消息回调函数void personInfoCallback(const learning_topic::Person::ConstPtr& msg){// 将接收到的消息打印出来ROS_INFO("Subcribe Person Info: name:%s age:%d sex:%d", msg->name.c_str(), msg->age, msg->sex);}int main(int argc, char **argv){// 初始化ROS节点ros::init(argc, argv, "person_subscriber");// 创建节点句柄ros::NodeHandle n;// 创建一个Subscriber，订阅名为/person_info的topic，注册回调函数personInfoCallbackros::Subscriber person_info_sub = n.subscribe("/person_info", 10, personInfoCallback);// 循环等待回调函数ros::spin();return 0;}

在CMakeLists.txt中增加代码

add_executable(person_publisher src/person_publisher.cpp)target_link_libraries(person_publisher ${catkin_LIBRARIES})add_dependencies(person_publisher ${PROJECT_NAME}_generate_messages_cpp)add_executable(person_subscriber src/person_subscriber.cpp)target_link_libraries(person_subscriber ${catkin_LIBRARIES})add_dependencies(person_subscriber ${PROJECT_NAME}_generate_messages_cpp)

编译代码

cd ~/catkin_wscatkin_makesource devel/setup.bashroscorecd ~/catkin_wssource devel/setup.bashrosrun learning_topic person_subscribercd ~/catkin_wssource devel/setup.bashrosrun learning_topic person_publisher

7 客户端Client的编程实现

7.1 如何实现一个客户端

（1）初始化ROS节点

（2）创建一个Client实例

（3）发布服务请求数据

（4）等待Server处理之后的应答结果

7.2 代码实现

 （1）创建功能包

cd ~/catkin_ws/srccatkin_create_pkg learning_service roscpp rospy std_msgs geometry_msgs turtlesim

（2）turtle_spawn.cpp

/***********************************************************************Copyright 2020 GuYueHome (www.guyuehome.com).***********************************************************************//*** 该例程将请求/spawn服务，服务数据类型turtlesim::Spawn*/#include <ros/ros.h>#include "turtlesim/Spawn.h"int main(int argc, char** argv){// 初始化ROS节点ros::init(argc, argv, "turtle_spawn");// 创建节点句柄ros::NodeHandle node;// 发现/spawn服务后，创建一个服务客户端，连接名为/spawn的serviceros::service::waitForService("/spawn");ros::ServiceClient add_turtle = node.serviceClient<turtlesim::Spawn>("/spawn");// 初始化turtlesim::Spawn的请求数据turtlesim::Spawn srv;srv.request.x = 2.0;srv.request.y = 2.0;srv.request.name = "turtle2";// 请求服务调用ROS_INFO("Call service to spwan turtle[x:%0.6f, y:%0.6f, name:%s]", srv.request.x, srv.request.y, srv.request.name.c_str());add_turtle.call(srv);// 显示服务调用结果ROS_INFO("Spwan turtle successfully [name:%s]", srv.response.name.c_str());return 0;};

（3）CMakeLists.txt增加代码

add_executable(turtle_spawn src/turtle_spawn.cpp)target_link_libraries(turtle_spawn ${catkin_LIBRARIES})

(4)编译

cd ~/catkin_wscatkin_makesource devel/setup.bashroscorecd ~/catkin_wssource devel/setup.bashrosrun turtlesim turtlesim_nodecd ~/catkin_wssource devel/setup.bashrosrun learning_service turtle_spawn

8 服务端Server的编程实现

8.1 如何实现一个服务器

（1）初始化ROS节点

（2）创建Server实例

（3）循环等待服务请求，进入回调函数

（4） 在回调函数中完成服务功能的处理，并反馈应答数据

8.2 代码实现

（1）在CMakeLists.txt中增加代码

add_executable(turtle_command_server src/turtle_command_server.cpp)target_link_libraries(turtle_command_server ${catkin_LIBRARIES})

（2）编译并运行服务器

cd ~/catkin_wscatkin_makesource devel/setup.bashroscorecd ~/catkin_wssource devel/setup.bashrosrun turtlesim turtlesim_nodecd ~/catkin_wssource devel/setup.bashrosrun learning_service turtle_command_servercd ~/catkin_wssource devel/setup.bashrosservice call/turtle_command "{}"

9 服务数据的定义与使用

 

9.1 如何创建一个服务数据

（1）定时srv

（2）在package.xml中添加功能包依赖

（3）在CMakeLists.txt添加编译选项

（4） 编译生成语言相关文件

9.2 代码实现

（1）Person.srv

string nameuint8 ageuint8 sexuint8 unknown=0uint8 male=1uint8 female=2---string result

（2）在package.xml中添加功能包依赖

<build_depend>message_generation</build_depend><exec_depend>message_runtime</exec_depend>

（3）在CMakeLists.txt中添加编译选项

find_package(...... message_generation)add_service_files(FILES Person.srv)generate_messages(DEPENDENCIES std_msgs)catkin_package(...... message_runtime)

（4）编译生成语言相关文件

（5）代码

/***********************************************************************Copyright 2020 GuYueHome (www.guyuehome.com).***********************************************************************//*** 该例程将请求/show_person服务，服务数据类型learning_service::Person*/#include <ros/ros.h>#include "learning_service/Person.h"int main(int argc, char** argv){// 初始化ROS节点ros::init(argc, argv, "person_client");// 创建节点句柄ros::NodeHandle node;// 发现/spawn服务后，创建一个服务客户端，连接名为/spawn的serviceros::service::waitForService("/show_person");ros::ServiceClient person_client = node.serviceClient<learning_service::Person>("/show_person");// 初始化learning_service::Person的请求数据learning_service::Person srv;srv.request.name = "Tom";srv.request.age = 20;srv.request.sex = learning_service::Person::Request::male;// 请求服务调用ROS_INFO("Call service to show person[name:%s, age:%d, sex:%d]", srv.request.name.c_str(), srv.request.age, srv.request.sex);person_client.call(srv);// 显示服务调用结果ROS_INFO("Show person result : %s", srv.response.result.c_str());return 0;}; /***********************************************************************Copyright 2020 GuYueHome (www.guyuehome.com).***********************************************************************//*** 该例程将执行/show_person服务，服务数据类型learning_service::Person*/#include <ros/ros.h>#include "learning_service/Person.h"// service回调函数，输入参数req，输出参数resbool personCallback(learning_service::Person::Request &req,learning_service::Person::Response &res){// 显示请求数据ROS_INFO("Person: name:%s age:%d sex:%d", req.name.c_str(), req.age, req.sex);// 设置反馈数据res.result = "OK";return true;}int main(int argc, char **argv){// ROS节点初始化ros::init(argc, argv, "person_server");// 创建节点句柄ros::NodeHandle n;// 创建一个名为/show_person的server，注册回调函数personCallbackros::ServiceServer person_service = n.advertiseService("/show_person", personCallback);// 循环等待回调函数ROS_INFO("Ready to show person informtion.");ros::spin();return 0;}

（6）配置CMakeLists.txt文件代码

add_executable(person_server src/person_server.cpp)target_link_libraries(person_server ${catkin_LIBRARIES})add_dependencies(person_server ${PROJECT_NAME}_gencpp)add_executable(person_client src/person_client.cpp)target_link_libraries(person_client ${catkin_LIBRARIES})add_dependencies(person_client ${PROJECT_NAME}_gencpp)

（7）编译

cd ~/catkin_wscatkin_makesource devel/setup.bashroscorecd ~/catkin_wssource devel/setup.bashrosrun learning_service person_servercd ~/catkin_wssource devel/setup.bashrosrun learning_service person_client