ROS 程序框架

基本思路（以C++为例）

使用catkin_create_pkg创建一个软件包
在软件包的src文件夹下创建一个节点的cpp源码文件
在节点的源码文件中include包含ROS的头文件
构建一个main函数，并在函数的开头执行ros::init()
构建while循环，循环条件为ros::ok()
在CMakeLists.txt中设置节点源码的编译规则
编译运行

代码框架

ROS（Robot Operating System）程序的代码框架主要由以下几个核心部分组成，无论是使用 C++ 还是 Python 编写。下面是 ROS 程序的一般代码框架的概述：

1. 包（Package）的创建

每个 ROS 程序都位于一个包内。包是 ROS 程序的基本组织单位，包含代码、节点、库、配置文件等。
使用 catkin_create_pkg 创建一个新包，指定依赖项：
```
catkin_create_pkg <package_name> [dependencies]
```

2. 包的配置文件

package.xml：定义包的元数据和依赖关系。

<package><name>my_package</name><version>0.0.0</version><description>A simple ROS package</description><depend>roscpp</depend><depend>std_msgs</depend>...
</package>

CMakeLists.txt（仅限 C++）：定义如何构建代码和安装目标。

cmake_minimum_required(VERSION 3.0.2)
project(my_package)find_package(catkin REQUIRED COMPONENTSroscppstd_msgs...
)catkin_package()include_directories(${catkin_INCLUDE_DIRS})add_executable(${PROJECT_NAME}_node src/my_node.cpp)
target_link_libraries(${PROJECT_NAME}_node ${catkin_LIBRARIES})

3. 节点（Node）的实现

节点是 ROS 网络中的一个独立运行的实体，负责特定的功能（比如数据处理、传感器控制等）。

C++ 节点示例

#include "ros/ros.h"
#include "std_msgs/String.h"int main(int argc, char **argv) {ros::init(argc, argv, "node_name");ros::NodeHandle nh;ros::Publisher pub = nh.advertise<std_msgs::String>("topic_name", 1000);ros::Rate loop_rate(10);while (ros::ok()) {std_msgs::String msg;msg.data = "hello world";pub.publish(msg);ros::spinOnce();loop_rate.sleep();}return 0;
}

Python 节点示例

#!/usr/bin/env python
import rospy
from std_msgs.msg import Stringdef talker():pub = rospy.Publisher('chatter', String, queue_size=10)rospy.init_node('talker', anonymous=True)rate = rospy.Rate(10) # 10hzwhile not rospy.is_shutdown():hello_str = "hello world %s" % rospy.get_time()rospy.loginfo(hello_str)pub.publish(hello_str)rate.sleep()if __name__ == '__main__':talker()

4. 构建和运行

使用 catkin_make 在 ROS 工作空间中构建包。
运行节点：
- C++：rosrun my_package my_node
- Python：rosrun my_package my_script.py

5. 其他文件和目录

scripts：用于存放 Python 脚本。
src：存放 C++ 源代码。
msg 和 srv：定义自定义消息和服务类型。
launch：包含启动多个节点的 ROS launch 文件。

这个框架提供了一个标准的方法来组织和构建 ROS 程序，确保代码的模块化和易于管理。每个节点在 ROS 网络中执行特定的任务，并通过消息、服务和动作与其他节点通信。

C++版本分析

这段代码是一个使用 C++ 编写的简单 ROS 节点示例，它展示了如何使用 roscpp（ROS 的 C++ 客户端库）创建一个发布消息的节点。以下是对代码的详细解释及 ROS 程序的基本框架概述。

代码解释

包含 ROS 头文件：
```
#include "ros/ros.h"
#include "std_msgs/String.h"
```
这里包含了 ROS 的主要头文件和用于发布字符串消息的标准消息类型。
主函数：
```
int main(int argc, char **argv) {...
}
```
定义了程序的入口点。
初始化 ROS 节点：
```
ros::init(argc, argv, "node_name");
```
初始化 ROS 并命名节点为 "node_name"。argc 和 argv 参数用于处理任何 ROS 参数和重映射。
创建节点句柄：
```
ros::NodeHandle nh;
```
节点句柄是与 ROS 系统通信的主要接入点。
创建发布者：
```
ros::Publisher pub = nh.advertise<std_msgs::String>("topic_name", 1000);
```
通过节点句柄 nh，创建一个发布者 pub。这个发布者将会向 "topic_name" 话题发布 std_msgs::String 类型的消息。1000 是发布队列的大小。
设置循环频率：
```
ros::Rate loop_rate(10);
```
设置循环频率为 10Hz。
节点的主循环：
```
while (ros::ok()) {...
}
```
在 ROS 运行正常时持续循环。
创建消息并发布：
```
std_msgs::String msg;
msg.data = "hello world";
pub.publish(msg);
```
在每次循环中，创建一个 std_msgs::String 消息，填充数据，并通过发布者 pub 发布。
调用 ros::spinOnce()：
```
ros::spinOnce();
```
允许 ROS 处理任何待处理的回调函数，适用于需要同时发布和订阅的节点。
睡眠以维持循环频率：
```
loop_rate.sleep();
```
控制循环频率，使其保持在设定的 10Hz。
返回：
```
return 0;
```
当 ROS 关闭或节点被终止时，程序退出。

ROS 程序的基本框架

从这个示例中，我们可以归纳出 ROS 程序的基本框架：

包含必要的头文件：包括 ROS 的核心头文件和任何消息类型的头文件。
初始化 ROS 节点：设置节点的名称，并处理任何 ROS 命令行参数。
创建节点句柄：用于管理 ROS 资源和通信。
创建通信接口：如发布者、订阅者或服务。
设置循环频率（可选）：对于需要定时执行任务的节点。
实现节点功能：在循环中进行消息的发布、接收或其他操作。
维护循环频率和响应回调：通过 ros::spinOnce() 和循环睡眠来实现。

这种结构为编写 ROS 节点提供了一个清晰的模板，无论是发布者、订阅者还是服务的实现。通过这个框架，可以确保 ROS 节点能够正确地与 ROS 网络交互，执行其预定的任务。

Python版本分析

这段代码是一个 ROS 节点的 Python 实现示例，它演示了如何使用 rospy 创建一个简单的发布者（Publisher）。让我们逐步解释这段代码，并从中归纳 ROS 程序的基本框架。

代码解释

脚本启动行：
```
#!/usr/bin/env python
```
这行告诉你的系统如何找到 Python 解释器。它是 Unix 和类 Unix 系统中的标准技巧，用于指定解释器路径。
导入模块：
```
import rospy
from std_msgs.msg import String
```
这里导入了 rospy 模块，它是 ROS 的 Python 客户端库，以及从 std_msgs 包中导入 String 消息类型。
定义 talker 函数：
```
def talker():...
```
定义了一个名为 talker 的函数，它是节点的主体。
创建发布者：
```
pub = rospy.Publisher('chatter', String, queue_size=10)
```
创建了一个发布者对象 pub，它将发布 String 类型的消息到名为 chatter 的话题上。
初始化节点：
```
rospy.init_node('talker', anonymous=True)
```
初始化一个名为 talker 的 ROS 节点。设置 anonymous=True 可以确保节点有一个唯一的名称，避免名称冲突。
设置循环频率：
```
rate = rospy.Rate(10) # 10hz
```
设置一个循环率为 10Hz 的 Rate 对象。
节点的主循环：
```
while not rospy.is_shutdown():...
```
在 ROS 没有关闭的情况下循环执行以下操作。
创建和发布消息：
```
hello_str = "hello world %s" % rospy.get_time()
rospy.loginfo(hello_str)
pub.publish(hello_str)
```
在每次循环中，创建一个含有当前时间的字符串消息，记录这个消息，并将其发布到 chatter 话题。
维持循环率：
```
rate.sleep()
```
使循环以设定的 10Hz 频率运行。
脚本主入口：
```
if __name__ == '__main__':talker()
```
当脚本直接运行时，调用 talker 函数。

ROS 程序的基本框架

从这个示例中，我们可以归纳出 ROS 程序的基本框架：

导入必要的 ROS 模块和消息类型。
定义节点的主要功能（如发布或订阅）。
初始化 ROS 节点。
创建 ROS 通信接口的实例（发布者、订阅者、服务服务器或客户端）。
使用循环（对于持续运行的任务）来执行节点的功能，比如发布消息。
在脚本的主部分调用这个功能，以确保当脚本被执行时，节点开始运行。

这种结构提供了 ROS 程序开发的标准方法，可以应用于创建各种类型的节点，无论是发布者、订阅者、服务的提供者还是客户端。

CmakeLists.txt

在ROS（机器人操作系统）中，CMakeLists.txt 文件是一个非常重要的组成部分，用于定义构建ROS包的过程。这个文件是基于CMake，一个跨平台的安装（构建）系统。下面我将详细解释如何修改 CMakeLists.txt 文件，并给出一个例子。

`CMakeLists.txt` 文件的基本结构

一个典型的 CMakeLists.txt 文件包括以下部分：

基本的CMake命令：指定CMake的最低版本要求和项目名称。
查找依赖项：使用 find_package() 命令查找编译和运行所需的包。
设置全局属性：例如，包含目录和C++标准。
定义消息、服务和动作：如果你的包定义了自定义的消息、服务或动作。
声明ROS节点和库：使用 add_executable() 和 add_library() 声明你的可执行文件和库。
添加依赖关系：使用 add_dependencies() 确保所有消息和服务在你的节点之前生成。
指定链接库：使用 target_link_libraries() 指定链接到你的可执行文件或库的库。

当然，我会将这些详细的代码解释整合到之前关于 CMakeLists.txt 文件的解释中。

`CMakeLists.txt` 文件的基本结构和详细解释

在ROS（机器人操作系统）中，CMakeLists.txt 文件用于定义构建ROS包的过程。它是基于CMake，一个跨平台的安装（构建）系统。这个文件的基本结构包括以下部分，我将逐一解释每一部分的作用：

基本的CMake命令：
```
cmake_minimum_required(VERSION 3.0.2)
project(my_ros_package)
```
- cmake_minimum_required 指定了CMake的最低版本要求，确保构建过程的兼容性。
- project 设置了项目的名称，用于在后续的脚本中引用整个项目。
查找依赖项：
```
find_package(catkin REQUIRED COMPONENTSroscpprospystd_msgs
)
```
- find_package 用于查找并设置用于项目构建的外部项目（包），这里是 catkin 和一些基本的ROS组件。
设置全局属性：
```
catkin_package(CATKIN_DEPENDS roscpp rospy std_msgs
)
```
- catkin_package 定义了关于包依赖的元数据，如其他catkin项目依赖的组件。
包含目录：
```
include_directories(include${catkin_INCLUDE_DIRS}
)
```
- include_directories 添加包含目录，确保编译时可以找到项目和依赖的头文件。
定义消息、服务和动作：如果你的包定义了自定义的消息、服务或动作，你需要在这里指定它们。这个例子中没有涉及。

声明ROS节点和库：

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})

add_executable 定义了可执行文件（节点），如发布者和订阅者。
target_link_libraries 指定了链接到你的可执行文件的库。

添加依赖关系和指定链接库：通常这些步骤是通过 add_dependencies 和 target_link_libraries 实现的，确保所有消息和服务在你的节点之前生成，并且正确链接必要的库。

修改 `CMakeLists.txt` 的例子

假设你需要添加一个新的依赖，如 sensor_msgs，你可以这样修改：

find_package(catkin REQUIRED COMPONENTSroscpprospystd_msgssensor_msgs  # 新增依赖
)catkin_package(CATKIN_DEPENDS roscpp rospy std_msgs sensor_msgs  # 新增依赖
)

如果你要添加一个新的节点：

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

通过这些步骤，你可以根据需要修改你的 CMakeLists.txt 文件来适应你的ROS项目。每当你添加新文件或修改依赖关系时，都需要更新这个文件。

ros::init()

在 ROS（Robot Operating System，机器人操作系统）中，ros::init() 函数是初始化ROS节点的重要步骤。这个函数负责设置节点的名称，并且处理ROS与命令行参数有关的所有事务。下面我将详细解释 ros::init() 的功能，并提供一个实例。

`ros::init()` 函数的作用

初始化节点: 在ROS中，每个可执行文件都被视为一个节点。ros::init() 初始化这个节点，并允许它与ROS Master进行通信。
处理命令行参数: 这个函数解析传递给ROS节点的命令行参数（例如，节点名称、ROS Master的URI等）。
设置节点名称: 它为节点设置一个唯一的名称，这是节点在ROS网络中被识别的方式。
初始化节点的通信功能: 设置节点与ROS系统其他部分的通信功能，包括与ROS Master的通信。

`ros::init()` 函数的使用

ros::init() 有几种不同的重载形式。最常见的形式是接受命令行参数和节点名称。例如：

int main(int argc, char **argv) {ros::init(argc, argv, "my_node_name");// ...
}

在这个例子中：

argc 和 argv 是传递给 main 函数的标准命令行参数。
"my_node_name" 是你要为这个节点指定的名称。

这样，当你的节点启动时，它会注册到ROS Master，并被指定为 my_node_name。

实例

假设我们要创建一个简单的ROS节点，该节点定期打印一条消息。我们的程序将包括以下几个步骤：

初始化ROS节点。
创建节点句柄。
设置循环频率。
在循环中发布消息。

实现代码如下：

#include <ros/ros.h>int main(int argc, char **argv) {// Step 1: Initialize the ROS noderos::init(argc, argv, "talker");// Step 2: Create a node handleros::NodeHandle nh;// Step 3: Set loop frequencyros::Rate loop_rate(10); // 10 Hzwhile (ros::ok()) {// Step 4: Publish a message (e.g., to a topic)ROS_INFO("Hello, ROS!");// ...// Here you might publish a message to a topic// ...ros::spinOnce();loop_rate.sleep();}return 0;
}

在这个例子中：

我们使用 ros::init 初始化了一个名为 “talker” 的节点。
创建了一个 ros::NodeHandle 对象，这是与ROS系统交互的主要途径。
使用 ros::Rate 设置了循环频率。
在 while 循环中，使用 ROS_INFO 打印消息，并可能向某个主题发布消息。
ros::spinOnce() 允许ROS处理任何挂起的回调，loop_rate.sleep() 保持循环频率。

这是一个非常基础的ROS程序结构，演示了如何初始化节点并在循环中执行任务。在实际应用中，你可能会添加更多的功能，如订阅主题、提供服务等。

ros::ok()

在 ROS（Robot Operating System，机器人操作系统）中，ros::ok() 函数是一个非常重要的工具，用于检查ROS节点的状态。这个函数在ROS程序中经常被用来控制循环和确保优雅地关闭节点。下面我将详细解释 ros::ok() 的功能，并提供一个实例。

`ros::ok()` 函数的作用

检查节点状态：ros::ok() 返回一个布尔值，表示ROS节点的状态。如果返回 true，表示节点正在正常运行。如果返回 false，则意味着节点应该被关闭。
响应外部中断：它能够检测到如 Ctrl+C 这样的用户中断，或者ROS系统要求节点关闭的信号。
处理异常和错误：如果ROS遇到异常或错误（例如，无法与ROS Master通信），ros::ok() 也会返回 false。

使用 `ros::ok()` 的实例

让我们考虑一个简单的ROS节点，它在一个循环中执行任务，直到接收到关闭信号或遇到错误。以下是实现的基本结构：

#include <ros/ros.h>int main(int argc, char **argv) {// 初始化ROS节点ros::init(argc, argv, "my_ros_node");// 创建节点句柄ros::NodeHandle nh;// 循环频率ros::Rate loop_rate(10); // 10 Hzwhile (ros::ok()) {// 执行一些任务// 例如，读取传感器数据、计算、发布消息等ROS_INFO("Node is running...");// 其他ROS相关操作// ...ros::spinOnce();  // 处理任何挂起的ROS事件loop_rate.sleep(); // 根据设定的频率休眠}// 如果ros::ok() 返回false，退出循环ROS_INFO("Node is shutting down...");return 0;
}