ROS基础学习---话题、服务、动作编程
引言：
通过本实验，我们将进行ROS基础学习内容主要包括：话题、服务、动作编程。掌握ROS的这些基础概念，进一步深入ROS的学习。
希望你在本次学习过后，能够有一定的收获！！！
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文章目录
一、工作空间
定义
在ROS（Robot Operating System）中，工作空间（Workspace）是一个用户可以用来组织并构建自定义ROS软件包的文件夹结构。通常，这个工作空间被称为 catkin workspace ，得名于ROS的构建系统 catkin。
一个典型的catkin工作空间包含以下几个部分：
- src (source)目录：这是工作空间的核心目录，包含所有的ROS软件包源代码。当你创建一个新的ROS工作空间时，会从创建这个目录开始。任何你下载或创建的自定义ROS软件包都应该放在这个目录下。
- build目录 ：当你编译你的工作空间时（使用
catkin_make或catkin build命令），catkin构建系统会在这个目录下创建中间文件。这些文件帮助catkin跟踪构建过程中的依赖关系，以确保软件包以正确的顺序构建。 - devel目录 ：一旦软件包被构建，所有的可执行文件、库文件和其他必要的文件都会被放置在这个目录下。通过 sourcing 这个目录下的setup.sh文件（即运行
source devel/setup.sh），你可以让ROS找到你的工作空间中的包和程序。 - install目录 （可选）：如果你选择 make install 安装你的软件包，制品（可执行文件、配置文件等）会被放到这个目录下，类似于本地安装。这个目录通常用于为其他机器准备软件包，或者当你想要使软件包在系统中变得全局可用时。
实现过程
-
创建工作空间
mkdir -p ~/catkin_ws/src #创建文件夹
cd ~/catkin_ws/src #进入目录
catkin_init_workspace #初始化，使其成为ROS的工作空间
-
编译工作空间
cd ..
catkin_make
-
设置环境变量
#该环境变量设置只对当前终端有效，lx567是用户名
source /home/lx567/catkin_ws/devel/setup.bash
#将上面命令放置到~/.bashrc文件中，让其对所有终端都有效
sudo nano ~/.bashrc
-
检查环境变量
echo $ROS_PACKAGE_PATH
二、功能包
定义
在ROS（Robot Operating System）中，功能包（Package）是ROS应用程序的基本组织单元，它包含了实现一系列相关功能所需的一组编程代码和数据。功能包的目的是促进代码的模块化和复用，使得机器人的软件设计更为易于管理和扩展。
每个ROS包通常包含以下内容：
- CMakeLists.txt：这是一个用于构建ROS包的CMake项目文件。它告诉catkin构建系统如何编译和链接程序和库。
- package.xml：它提供了关于ROS包的元数据，包括包的名称、版本、维护者、依赖关系以及许可证信息等。
- 源代码：包括C++、Python或其他支持的编程语言编写的代码文件。
- 消息定义（msg文件）：如果包定义了自定义ROS消息，它们将被包含在这里。
- 服务定义（srv文件）：如果包定义了自定义ROS服务，这些服务定义同样存放于此。
- 动作定义（action文件）：用于定义ROS动作，如果包包含动作服务器或客户端。
- 配置文件 ：这些可能包括启动文件（.launch ），这些文件用于启动一组ROS节点；参数文件（.yaml），定义节点运行时使用的参数；以及其他用于配置特定节点或应用程序的文件。
- README和其他文档：提供了关于包用途、安装和运行方式的信息。
实现过程
-
创建功能包
cd ~/catkin_ws/src
catkin_create_pkg learning_communication std_msgs rospy roscpp
#catkin_create_pkg 功能包名字 依赖
#std_msgs：定义的标准的数据结构
#rospy：提供python编程接口
#roscpp：提供c++编程接口
2.编译功能包
bash
cd ~/catkin_ws
catkin_make
三、ROS通信编程
在ROS中，通信编程是指创建能够在不同的ROS节点之间传递信息的程序。ROS提供了几种不同的通信机制，以适应不同类型的数据交换和各种交互模式的需要。
主要的通信机制包括：
1. 话题（Topics）
这是ROS中最常用的通信方式。节点可以发布（publish）消息到一个话题，或订阅（subscribe）一个话题以接收消息。话题适用于无状态的、流式的通信，如传感器数据流。它使用发布/订阅模型，可以有多个发布者和多个订阅者。
2. 服务（Services）
服务是一种双向的通信方式，允许一个节点发送请求（request）给另一个节点，并等待响应（response）。服务通信是同步的，并且在请求处理完成之前，调用节点会阻塞。服务适合那些不需要连续数据流的应答模式交互，如客户端查询信息或发送特定的命令。
3. 动作（Actions）
动作是一种用于长期运行的任务，并且需要周期性反馈的通信方式。动作客户端发送一个目标，并且动作服务器在执行长时任务过程中提供反馈，最后发送最终结果。动作是有状态的，并且可以被抢占。这适用于需要长时间完成的任务，如移动机器人到指定位置。
4. 参数服务器（Parameter Server）
参数服务器是多个节点共享配置参数的地方。它不是交互式通信的主要形式，而是一种节点可以存储和检索配置信息的手段。它通常被用来在启动时设置系统参数。
1.话题编程
步骤：
- 创建发布者
- 初始化ROS节点
- 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
- 按照一定频率循环发布消息
- 创建订阅者
- 初始化ROS节点
- 订阅需要的话题
- 循环等待话题消息，接受到消息后进行回调函数
- 回调函数中完成消息处理
- 添加编译选项
- 设置需要编译的代码和生成的可执行文件
- 设置链接库
- 设置依赖
- 运行可执行程序
编写代码
talker.cpp
c++
#include<sstream>
#include"ros/ros.h"
#include"std_msgs/String.h"
int main(int argc,char **argv)
{
//ROS节点初始化
ros::init(argc,argv,"talker");
//创建节点句柄
ros::NodeHandle n;
//创建一个Publisher，发布名为chatter的topic，消息类型为std_msgs::String
ros::Publisher chatter_pub=n.advertise<std_msgs::String>("chatter",1000);
//设置循环的频率
ros::Rate loop_rate(10);
int count=0;
while(ros::ok())
{
//初始化std_msgs::String类型的消息
std_msgs::String msg;
std::stringstream ss;
ss<<"hello world"<<count;
msg.data=ss.str();
//发布消息
ROS_INFO("%s",msg.data.c_str());
chatter_pub.publish(msg);
//循环等待回调函数
ros::spinOnce();
//接受循环频率延时
loop_rate.sleep();
++count;
}
return 0;
}listener.cpp
c++
#include"ros/ros.h"
#include"std_msgs/String.h"
//接收到订阅的消息，会进入消息的回调函数
void chatterCallback(const std_msgs::String::ConstPtr& msg)
{
//将接收到的消息打印处理
ROS_INFO("I heard:{%s}",msg->data.c_str());
}
int main(int argc,char **argv)
{
//初始化ROS节点
ros::init(argc,argv,"listener");
//创建节点句柄
ros::NodeHandle n;
//创建一个Subscriber，订阅名为chatter的topic，注册回调函数chatterCallback
ros::Subscriber sub=n.subscribe("chatter",1000,chatterCallback);
//循环等待回调函数
ros::spin();
return 0;
}设置CMakeLists.txt文件
编译
运行可执行文件
roscore
rosrun learning_communication talker
rosrun learning_communication listener
2.自定义话题消息
-
定义msg文件
mkdir ~/catkin_ws/src/learning_communication/msg
sudo nano Person.msg
Person.msg
string name
uint8 sex
uint8 age
uint8 unknown=0
uint8 male=1
uint8 female=2
在package.xml中添加功能包依赖
<build_depend>message_generation</build_depend>
<exec_depend>message_runtime</exec_depend>
在CMakeLists.txt添加编译选项
编译成功后，查看自定义消息
3.服务编程
定义srv文件
mkdir ~/catkin_ws/src/learning_communication/srv
sudo nano AddTwoInts.srv
AddTwoInts.srv
int64 a
int64 b
---
int64 sum
在package.xml中添加功能包依赖
<build_depend>message_generation</build_depend>
<exec_depend>message_runtime</exec_depend>
在CMakeLists.txt添加编译选项
步骤：
- 创建服务器
- 初始化ROS节点
- 创建Serve实例
- 循环等待服务请求，进入回调函数
- 在回调函数中完成服务功能的处理，并反馈应答数据
- 创建客户端
- 初始化ROS节点
- 创建一个Client实例
- 发布服务请求数据
- 等待Serve处理之后的应答结果
- 添加编译选项
- 设置需要编译的代码和生成的可执行文件
- 设置链接库
- 设置依赖
- 运行可执行程序
server.cpp
c++
#include<ros/ros.h>
#include"learning_communication/AddTwoInts.h"
//service回调函数，输入参数req，输出参数res
bool add(learning_communication::AddTwoInts::Request &req,learning_communication::AddTwoInts::Response &res)
{
//将输入的参数中的请求数据相加，结果放到应答变量中
res.sum=req.a+req.b;
ROS_INFO("request: x=%1d,y=%1d",(long int)req.a,(long int)req.b);
ROS_INFO("sending back response:[%1d]",(long int)res.sum);
return true;
}
int main(int argc,char **argv)
{
//ROS节点初始化
ros::init(argc,argv,"add_two_ints_server");
//创建节点句柄
ros::NodeHandle n;
//创建一个名为add_two_ints的server,注册回调函数add()
ros::ServiceServer service=n.advertiseService("add_two_ints",add);
//循环等待回调函数
ROS_INFO("Ready to add two ints.");
ros::spin();
return 0;
}client.cpp
c++
#include<cstdlib>
#include<ros/ros.h>
#include"learning_communication/AddTwoInts.h"
int main(int argc,char **argv)
{
//ROS节点初始化
ros::init(argc,argv,"add_two_ints_client");
//从终端命令行获取两个加数
if(argc!=3)
{
ROS_INFO("usage:add_two_ints_client X Y");
return 1;
}
//创建节点句柄
ros::NodeHandle n;
//创建一个client，请求add_two_ints_service
//service消息类型是learning_communication::AddTwoInts
ros::ServiceClient client=n.serviceClient<learning_communication::AddTwoInts>("add_two_ints");
//创建learning_communication::AddTwoInts类型的service消息
learning_communication::AddTwoInts srv;
srv.request.a=atoll(argv[1]);
srv.request.b=atoll(argv[2]);
//发布service请求，等待加法运算的应答请求
if(client.call(srv))
{
ROS_INFO("sum: %1d",(long int)srv.response.sum);
}
else
{
ROS_INFO("Failed to call service add_two_ints");
return 1;
}
return 0;
}设置CMakeLists.txt文件
编译产生最后文件
运行可执行文件
roscore
rosrun learning_communication server
rosrun learning_communication client 56 123
4. 动作编程
动作是一种基于ROS消息实现的问答通信机制，它包含连续反馈，可以在任务过程中止运行。
动作（Action）的接口
| 接口名称 | 接口含义 |
|---|---|
| goal | 发布任务目标 |
| cancel | 请求取消任务 |
| status | 通知客户端当前的状态 |
| feedback | 周期反馈任务运行的监控数据 |
| result | 向客户端发送任务的执行结果，只发布一次 |
自定义动作消息
-
定义action文件
mkdir ~/catkin_ws/src/learning_communication/action
sudo nano DoDishes.action
DoDishes.action
#定义目标信息
uint32 dishwasher_id
---
#定义结果信息
uint32 total_dishes_cleaned
---
#定义周期反馈的消息
float32 percent_complete
在package.xml中添加功能包依赖
<build_depend>actionlib</build_depend>
<build_depend>actionlib_msgs</build_depend>
<exec_depend>actionlib</exec_depend>
<exec_depend>actionlib_msgs</exec_depend>
在CMakeLists.txt添加编译选项
步骤：
- 创建动作服务器
- 初始化ROS节点
- 创建动作服务器实例
- 启动服务器，等待动作请求
- 在回调函数中完成动作服务功能的处理，并反馈进度信息
- 动作完成，发送结束信息
- 创建动作客户端
- 初始化ROS节点
- 创建动作客户端实例
- 连接动作服务器
- 发送动作目标
- 根据不同类型的服务器端反馈处理回调函数
- 添加编译选项
- 设置需要编译的代码和生成的可执行文件
- 设置链接库
- 设置依赖
- 运行可执行程序
DoDishes_server.cpp
c++
#include "ros/ros.h"
#include "actionlib/server/simple_action_server.h"
#include "learning_communication/DoDishesAction.h"
typedef actionlib::SimpleActionServer<learning_communication::DoDishesAction> Server;
// 收到action的goal后调用该回调函数
void execute(const learning_communication::DoDishesGoalConstPtr &goal, Server *as)
{
ros::Rate r(1);
learning_communication::DoDishesFeedback feedback;
ROS_INFO("Dishwasher %d is working.", goal->dishwasher_id);
// 假设洗盘子的进度，并且按照1Hz的频率发布进度feedback
for(int i = 1; i <= 10; i++)
{
feedback.percent_complete = i * 10;
as->publishFeedback(feedback);
r.sleep();
}
// 当action完成后，向客户端返回结果
ROS_INFO("Dishwasher %d finish working.", goal->dishwasher_id);
as->setSucceeded();
}
int main(int argc, char **argv)
{
ros::init(argc, argv, "do_dishes_server");
ros::NodeHandle hNode;
// 定义一个服务器
Server server(hNode, "do_dishes", boost::bind(&execute, _1, &server), false);
// 服务器开始运行
server.start();
ros::spin();
return 0;
}DoDishes_client.cpp
c++
#include "ros/ros.h"
#include "actionlib/client/simple_action_client.h"
#include "learning_communication/DoDishesAction.h"
typedef actionlib::SimpleActionClient<learning_communication::DoDishesAction> Client;
// 当action完成后会调用该回调函数一次
void doneCallback(const actionlib::SimpleClientGoalState &state
, const learning_communication::DoDishesResultConstPtr &result)
{
ROS_INFO("Yay! The dishes are now clean");
ros::shutdown();
}
// 当action激活后会调用该回调函数一次
void activeCallback()
{
ROS_INFO("Goal just went active");
}
// 收到feedback后调用该回调函数
void feedbackCallback(const learning_communication::DoDishesFeedbackConstPtr &feedback)
{
ROS_INFO("percent_complete : %f", feedback->percent_complete);
}
int main(int argc, char **argv)
{
ros::init(argc, argv, "do_dishes_client");
// 定义一个客户端
Client client("do_dishes", true);
// 等待服务器端
ROS_INFO("Waiting for action server to start.");
client.waitForServer();
ROS_INFO("Action server started, sending goal.");
// 创建一个 action 的 goal
learning_communication::DoDishesGoal goal;
goal.dishwasher_id = 1;
// 发送action的goal给服务端，并且设置回调函数
client.sendGoal(goal, &doneCallback, &activeCallback, &feedbackCallback);
ros::spin();
return 0;
}设置CMakeLists.txt文件
编译-运行可执行文件
roscore
rosrun learning_communication DoDishes_client
rosrun learning_communication DoDishes_server
