ROS入门-第 1 章 ROS概述与环境搭建

第 1 章 ROS概述与环境搭建

1.1 ROS简介

1.1.1 ROS概念

1.1.2 ROS设计目标

1.1.3 ROS发展历程

1.3 ROS快速体验

1.3.1 HelloWorld实现简介

1.3.2 HelloWorld（C++版）

步骤 1：创建工作空间

步骤 2：创建发布者节点

步骤 3：创建订阅者节点

步骤4：C++版CMakeLists.txt配置

步骤 5：编译和运行

1.3.3 HelloWorld（Python版）

步骤 1：创建工作空间

步骤 2：创建发布者节点

步骤 3：创建订阅者节点

步骤4：Python版CMakeLists.txt配置

步骤 5：编译和运行

第 1 章 ROS概述与环境搭建

1.1 ROS简介

ROS（Robot Operating System）是一个开源的机器人操作系统，旨在为机器人开发提供一套强大的工具和框架。它采用分布式计算模型，允许开发者构建复杂的机器人应用程序。ROS提供了一系列的库、工具和约定，用于简化机器人软件的开发、测试和部署。

1.1.1 ROS概念

节点（Nodes）：ROS中的基本执行单元，每个节点都是一个独立的进程，可以执行特定的任务。
话题（Topics）：节点通过话题进行异步通信，一个节点可以发布消息到话题，其他节点可以订阅来接收消息。
服务（Services）：节点可以提供服务，并在其他节点请求时响应特定的任务。
参数（Parameters）：ROS节点可以使用参数来存储配置信息，这些参数可以在运行时进行修改。

1.1.2 ROS设计目标

ROS的设计目标着重于以下几点：

模块化：ROS鼓励开发者将系统拆分为多个模块，每个模块都是一个独立的节点，可以并行开发和测试。
重用性：ROS支持代码和功能的重用，这有助于加快开发速度。
工具丰富：ROS提供了一系列的工具，包括可视化工具、调试工具、仿真工具等，用于开发和调试机器人应用程序。
分布式计算：ROS采用分布式计算模型，允许节点在不同的计算机上运行，通过网络通信进行交互。

1.1.3 ROS发展历程

ROS从最初的构想逐步发展为一个广泛应用的机器人操作系统：

初期阶段：ROS最早由斯坦福大学的人工智能实验室开发，作为一个实验性项目。
开源发布：2007年，ROS作为开源项目发布，逐渐吸引了全球的机器人开发者和研究人员。
发展壮大：随着时间的推移，ROS不断增加了新的功能、库和工具，广泛应用于各种机器人领域，如工业、服务、农业等。
版本迭代：ROS的不同版本（如Kinetic、Melodic、Noetic等）推出，不断引入新特性，改进性能，提高稳定性。

1.3 ROS快速体验

在本章中，我们将通过一个简单的HelloWorld例子来体验ROS的基本功能和流程。我们将分别使用C++和Python来实现HelloWorld示例，以展示ROS在不同编程语言下的使用方法。

1.3.1 HelloWorld实现简介

HelloWorld示例是一个经典的起始点，它帮助我们了解如何创建ROS节点、发布消息到话题以及订阅话题来接收消息。我们将创建两个节点，一个发布者节点负责发布消息，一个订阅者节点负责接收消息。

1.3.2 HelloWorld（C++版）

步骤 1：创建工作空间

首先，在您的工作目录中创建一个新的ROS工作空间：

mkdir -p ~/ros_hello_world_ws/src
cd ~/ros_hello_world_ws/src
catkin_init_workspace
cd ..
catkin_make

步骤 2：创建发布者节点

在src文件夹下创建一个新的包并切换到该包：

cd ~/ros_hello_world_ws/src
catkin_create_pkg hello_world_cpp roscpp std_msgs

在src文件夹中创建一个新的C++文件，例如publisher.cpp，并编写发布者节点的代码：

#include <ros/ros.h>
#include <std_msgs/String.h>int main(int argc, char **argv) {ros::init(argc, argv, "hello_world_cpp_publisher");ros::NodeHandle nh;ros::Publisher pub = nh.advertise<std_msgs::String>("hello_topic", 10);ros::Rate rate(1);while (ros::ok()) {std_msgs::String msg;msg.data = "Hello, ROS from C++!";pub.publish(msg);ros::spinOnce();rate.sleep();}return 0;
}

步骤 3：创建订阅者节点

在同一包中创建另一个C++文件，例如subscriber.cpp，并编写订阅者节点的代码：

#include <ros/ros.h>
#include <std_msgs/String.h>void messageCallback(const std_msgs::String::ConstPtr &msg) {ROS_INFO("Received: %s", msg->data.c_str());
}int main(int argc, char **argv) {ros::init(argc, argv, "hello_world_cpp_subscriber");ros::NodeHandle nh;ros::Subscriber sub = nh.subscribe("hello_topic", 10, messageCallback);ros::spin();return 0;
}

步骤4：C++版CMakeLists.txt配置

在C++版的示例中，假设您的工作空间位于~/ros_hello_world_ws，ROS软件包的名称是hello_world_cpp。以下是CMakeLists.txt文件的配置：

cmake_minimum_required(VERSION 2.8.3)
project(hello_world_cpp)find_package(catkin REQUIRED COMPONENTSroscppstd_msgs
)catkin_package(CATKIN_DEPENDS roscpp std_msgs
)include_directories(include${catkin_INCLUDE_DIRS}
)add_executable(publisher_node src/publisher.cpp)
target_link_libraries(publisher_node ${catkin_LIBRARIES})add_executable(subscriber_node src/subscriber.cpp)
target_link_libraries(subscriber_node ${catkin_LIBRARIES})

步骤 5：编译和运行

回到工作空间的根目录，编译工作空间并运行发布者和订阅者节点：

cd ~/ros_hello_world_ws
catkin_make
source devel/setup.bash# 启动发布者节点
rosrun hello_world_cpp publisher# 在新的终端中启动订阅者节点
rosrun hello_world_cpp subscriber

1.3.3 HelloWorld（Python版）

步骤 1：创建工作空间

同样，在您的工作目录中创建一个新的ROS工作空间（如果您之前没有创建）：

mkdir -p ~/ros_hello_world_ws/src
cd ~/ros_hello_world_ws/src
catkin_init_workspace
cd ..
catkin_make

步骤 2：创建发布者节点

在src文件夹下创建一个新的包并切换到该包：

cd ~/ros_hello_world_ws/src
catkin_create_pkg hello_world_py rospy std_msgs

在src文件夹中创建一个新的Python文件，例如publisher.py，并编写发布者节点的代码：

#!/usr/bin/env pythonimport rospy
from std_msgs.msg import Stringdef publisher():pub = rospy.Publisher('hello_topic', String, queue_size=10)rospy.init_node('hello_world_py_publisher', anonymous=True)rate = rospy.Rate(1)while not rospy.is_shutdown():msg = "Hello, ROS from Python!"rospy.loginfo(msg)pub.publish(msg)rate.sleep()if __name__ == '__main__':try:publisher()except rospy.ROSInterruptException:pass

步骤 3：创建订阅者节点

在同一包中创建另一个Python文件，例如subscriber.py，并编写订阅者节点的代码：

#!/usr/bin/env pythonimport rospy
from std_msgs.msg import Stringdef callback(data):rospy.loginfo("Received: %s", data.data)def subscriber():rospy.init_node('hello_world_py_subscriber', anonymous=True)rospy.Subscriber('hello_topic', String, callback)rospy.spin()if __name__ == '__main__':subscriber()

步骤4：Python版CMakeLists.txt配置

在Python版的示例中，假设您的工作空间位于~/ros_hello_world_ws，ROS软件包的名称是hello_world_py。以下是CMakeLists.txt文件的配置：

cmake_minimum_required(VERSION 2.8.3)
project(hello_world_py)find_package(catkin REQUIRED COMPONENTSrospystd_msgs
)catkin_package(CATKIN_DEPENDS rospy std_msgs
)include_directories(include${catkin_INCLUDE_DIRS}
)catkin_install_python(PROGRAMSscripts/publisher.pyscripts/subscriber.pyDESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_BIN_DESTINATION}
)

步骤 5：编译和运行

回到工作空间的根目录，编译工作空间并运行发布者和订阅者节点：

cd ~/ros_hello_world_ws
catkin_make
source devel/setup.bash# 启动发布者节点
rosrun hello_world_py publisher.py# 在新的终端中启动订阅者节点
rosrun hello_world_py subscriber.py