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本文档是B站视频配套笔记，视频地址：https://space.bilibili.com/411541289/channel/collectiondetail?sid=693700
笔记配套的 ROS 源码仓库地址：https://github.com/yym68686/ROS-Lab
安装 ROS
ROS 官网
打开官网适用于 Ubuntu 20.04 的 ROS Noetic 官方安装文档：
https://wiki.ros.org/noetic/Installation/Ubuntu
设置 sources.list
国内镜像地址
https://wiki.ros.org/ROS/Installation/UbuntuMirrors
选择中科大的源，输入：
sudosh -c '. /etc/lsb-release && echo "deb http://mirrors.ustc.edu.cn/ros/ubuntu/ `lsb_release -cs` main" > /etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list'
安装密钥
先安装 curl
sudoaptinstallcurl
安装密钥
curl -s https://raw.githubusercontent.com/ros/rosdistro/master/ros.asc |sudo apt-key add -
如果网络不好则使用下面的命令安装密钥：
sudo apt-key adv --keyserver hkp://keyserver.ubuntu.com:80 --recv-key C1CF6E31E6BADE8868B172B4F42ED6FBAB17C654
安装 ROS 主体程序
sudoapt update
sudoaptinstall -y ros-noetic-desktop-full
设置环境参数
echo"source /opt/ros/noetic/setup.bash">> ~/.bashrc
source ~/.bashrc
运行 ROS
roscore
rosdep 初始化
对 ros 依赖包工具进行初始化
sudoaptinstall -y python3-rosdep python3-rosinstall python3-rosinstall-generator python3-wstool build-essential
接着
sudo rosdep init
rosdep update
如果网络有问题将 rosdep 的资源文件配置从国外地址修改到国内地址
sudoaptinstall -y python3-pip
sudo pip3 install6-rosdep
sudo6-rosdep
再运行一次
sudo rosdep init
rosdep update
运行示例
rqt-robot-steering 基本信息
ROS 软件包网站
找到 rqt-robot-steering 网址
https://index.ros.org/p/rqt_robot_steering/
wiki
https://wiki.ros.org/rqt_robot_steering
用于控制机器人前进方向与旋转
测试 rqt-robot-steering
安装 rqt-robot-steering
sudoaptinstall -y ros-noetic-rqt-robot-steering
启动 ros 核心
roscore
运行软件
rosrun rqt_robot_steering rqt_robot_steering
第一个是包名称，第二个是节点名称
安装仿真小乌龟进行测试
sudoaptinstall -y ros-noetic-turtlesim
运行小乌龟
rosrun turtlesim turtlesim_node
修改
rqt-robot-steering
名称为
turtle1/cmd_vel
从 GitHub 下载运行 3D 示例
创建文件夹
mkdir catkin_ws
cd catkin_ws
mkdir src
cd src
下载软件包
git clone https://github.com/6-robot/wpr_simulation.git
进入目录
cd ~/catkin_ws/src/wpr_simulation/scripts
运行安装依赖包脚本文件
./install_for_noetic.sh
进入根目录
cd ~/catkin_ws
编译
catkin_make
将 catkin_ws 工作空间里面的环境参数加载到终端程序里
source ~/catkin_ws/devel/setup.bash
使用 roslaunch 运行编译好的 ROS 程序
roslaunch wpr_simulation wpb_simple.launch
此时会出现三维界面
使用 rqt-robot-steering 控制机器人
rosrun rqt_robot_steering rqt_robot_steering
将 turtle1/cmd_vel 改为 /cmd_vel 即可。
将 catkin_ws 工作空间里面的环境 参数写入 .bashrc，自动加载到终端程序中
echo"source ~/catkin_ws/devel/setup.bash">> ~/.bashrc
使 catkin_ws/src 目录下的软件包可以被找到。
创建软件包
进入源码目录：
cd ~/catkin_ws/src
创建 package 软件包
catkin_create_pkg ssr_pkg rospy roscpp std_msgs
命令格式
catkin_create_pkg <包名><依赖项列表>
依赖项解释：
- rospy 是 ros 对 python 的支持
- roscpp 是 ros 对 cpp 的支持
- std_msgs 标准消息
在软件包 src 目录下创建 chao_node.cpp 文件，写入
#include<ros/ros.h>intmain(int argc,charconst*argv[]){printf("Hello World!\n");return0;}
在 packeage 目录下的 CMakeLists 文件里写入为项目增加可执行文件
add_executable(chao_node src/chao_node.cpp)
- chao_node 是可执行文件的名字
- src/chao_node.cpp 是从这里的源文件编译
在终端输入命令编译
rosrun ssr_pkg chao_node
成功输出 hello world。
现在还不是一个完整的节点，需要跟 ros 系统产生互动，先对节点进行初始化
#include<ros/ros.h>intmain(int argc,char*argv[]){
ros::init(argc, argv,"chao_node");printf("Hello World!\n");return0;}
把
ros::init
所在的库文件链接进来一起编译，修改
CMakeLists
文件
add_executable(chao_node src/chao_node.cpp)
target_link_libraries(chao_node
${catkin_LIBRARIES}
)
输入命令编译成功。
如果需要一直保持运行状态，可以在
return 0
前面加入
while
循环，但如果加入的是
while(true)
，程序不会接收
ctrl+c
终止程序，所以需要使用
while(ros::ok())
来响应外部信号，编写循环代码：
#include<ros/ros.h>intmain(int argc,char*argv[]){
ros::init(argc, argv,"chao_node");printf("Hello World!\n");while(ros::ok()){printf("ok\n");}return0;}
运行时按下
ctrl+c
即可终止程序。
publisher 发布者节点 C++ 实现
每个节点都可以发布话题 Topic，每个节点都可以在话题里发布消息 Message。每个 Topic 可以接收多个节点发布的消息，也可以被多个订阅者节点接收。
要发布消息，需要用依赖包 std_msgs，用 std_msgs 内置的 string 类型发布消息。 可以在这个网址里找到 std_msgs 所有的数据类型：
编写 chao_node.cpp
#include<ros/ros.h>#include<std_msgs/String.h>intmain(int argc,char*argv[]){
ros::init(argc, argv,"chao_node");printf("Hello World!\n");// nh 负责管理话题创建，消息发送
ros::NodeHandle nh;// 新建消息发送对象，确定话题名称和发送对象消息容量，这里最多可以接收10个消息，话题名称不能是中文
ros::Publisher pub = nh.advertise<std_msgs::String>("Topic",10);while(ros::ok()){printf("ok\n");// 初始化消息对象
std_msgs::String msg;// 消息内容
msg.data ="带飞";// 发送消息
pub.publish(msg);}return0;}
使用
shift+control+B
编译程序。
增加消息发送频率控制
#include <ros/ros.h>
#include <std_msgs/String.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
ros::init(argc, argv, "chao_node");
printf("Hello World!\n");
// nh 负责管理话题创建，消息发送
ros::NodeHandle nh;
// 新建消息发送对象，确定话题名称和发送对象消息容量，这里最多可以接收10个消息，话题名称不能是中文
ros::Publisher pub = nh.advertise<std_msgs::String>("Topic", 10);
+ ros:: Rate loop_rate(10);
while(ros::ok()) {
printf("ok\n");
// 初始化消息对象
std_msgs::String msg;
// 消息内容
msg.data = "带飞";
// 发送消息
pub.publish(msg);
+ loop_rate.sleep();
}
return 0;
}
使用
shift+control+B
编译程序。
运行节点
rosrun ssr_pkg chao_node
查看发送消息的频率
rostopic hz /Topic
发现消息已经稳定在10次每秒了。
subscriber 订阅者节点 C++ 实现
进入根目录
cd ~/catkin_ws/src
创建订阅者 package 软件包
catkin_create_pkg atr_pkg rospy roscpp std_msgs
创建 ma_node.cpp 编写代码
#include<ros/ros.h>#include<std_msgs/String.h>// 订阅对象回调函数，用于接收消息，并做处理voidchao_callback(std_msgs::String msg){printf(msg.data.c_str());printf("\n");}intmain(int argc,char*argv[]){
ros::init(argc, argv,"ma_node");// nh 负责管理话题创建，消息发送
ros::NodeHandle nh;// 新建消息订阅对象，确定话题名称和订阅对象消息容量，这里最多可以接收10个消息，话题名称不能是中文，定义回调函数名
ros::Subscriber sub = nh.subscribe("Topic",10, chao_callback);while(ros::ok()){// 不断查看有无新的消息，并调用回调函数
ros::spinOnce();}return0;}
在 CMakeLists 写入编译选项
add_executable(ma_node src/ma_node.cpp)
target_link_libraries(ma_node
${catkin_LIBRARIES}
)
订阅者消息显示增加时间戳
#include <ros/ros.h>
#include <std_msgs/String.h>
// 订阅对象回调函数，用于接收消息，并做处理
void chao_callback(std_msgs::String msg){
+ ROS_INFO(msg.data.c_str());
- printf(msg.data.c_str());
- printf("\n");
}
int main(int argc, char *argv[])
{
+ // ROS_INFO 编码方式受 lacale 环境设置影响，输出函数只支持英文字符显示
+ setlocale(LC_ALL, "");
ros::init(argc, argv, "ma_node");
// nh 负责管理话题创建，消息发送
ros::NodeHandle nh;
// 新建消息订阅对象，确定话题名称和订阅对象消息容量，这里最多可以接收10个消息，话题名称不能是中文，定义回调函数名
ros::Subscriber sub = nh.subscribe("Topic", 10, chao_callback);
while(ros::ok()) {
// 不断查看有无新的消息，并调用回调函数
ros::spinOnce();
}
return 0;
}
多个发布者与多个订阅者实现
创建两个订阅者
#include <ros/ros.h>
#include <std_msgs/String.h>
// 订阅对象回调函数，用于接收消息，并做处理
void chao_callback(std_msgs::String msg){
ROS_INFO(msg.data.c_str());
}
+void yao_callback(std_msgs::String msg){
+ ROS_WARN(msg.data.c_str());
+}
int main(int argc, char *argv[])
{
// ROS_INFO 编码方式受 lacale 环境设置影响，输出函数只支持英文字符显示
setlocale(LC_ALL, "");
ros::init(argc, argv, "ma_node");
// nh 负责管理话题创建，消息发送
ros::NodeHandle nh;
// 新建消息订阅对象，确定话题名称和订阅对象消息容量，这里最多可以接收10个消息，话题名称不能是中文，定义回调函数名
ros::Subscriber sub1 = nh.subscribe("Topic1", 10, chao_callback);
+ ros::Subscriber sub2 = nh.subscribe("Topic2", 10, yao_callback);
while(ros::ok()) {
// 不断查看有无新的消息，并调用回调函数
ros::spinOnce();
}
return 0;
}
两个发布者分别是 yao_node 和 chao_node，代码相似，分别在不同的话题。
编译后分别在三个不同的终端运行命令
# 运行发布者节点 chao_node
rosrun ssr_pkg chao_node
# 运行发布者节点 yao_node
rosrun ssr_pkg yao_node
# 运行订阅者节点 ma_node
rosrun atr_pkg ma_node
使用命令查看订阅者发布者之间的可视化关系
rqt_graph
编写运行 launch 文件
一个个把每个节点运行起来太麻烦了，所以可以使用 launch 文件把所有节点一次性启动起来。
在 ssr_pkg 文件夹创建 launch/node.launch 文件，编写 launch 文件
<launch><!-- pkg: 包名 type: 节点 name: 名字 --><nodepkg="ssr_pkg"type="yao_node"name="yao_node"/><!-- 将 chao_node 的信息显示到另一个终端里，使用 launch-prefix --><nodepkg="ssr_pkg"type="chao_node"name="chao_node"launch-prefix="gnome-terminal -e"/><!-- output 表示输出到屏幕，不然不会显示订阅者节点的信息 --><nodepkg="atr_pkg"type="ma_node"name="ma_node"output="screen"/></launch>
运行 launch 文件
roslaunch ssr_pkg node.launch
publisher 发布者节点 python 实现
使用 python 生成的节点不需要编译，可以直接运行，回到上级目录运行 catkin_make，让新建的包进入 ROS 的软件包列表。只有新建软件包时运行一次编译就好了，后面代码修改不需要任何编译。
在 ssr_pkg 下面新建文件夹 scripts，新建 chao_node.py 文件，编写代码
#!/usr/bin/env python3#coding=utf-8import rospy
from std_msgs.msg import String
if __name__ =="__main__":
rospy.init_node("chao_node")
ros.logwarn("chao ok!")# 新建发布对象，指定消息标题，消息包内容类型，消息包容量
pub = rospy.Publisher("Topic1", String, queue_size=10)# 发布消息频率为10HZ
rate = rospy.Rate(10)whilenot rospy.is_shutdown():
rospy.loginfo("chao going!")
msg = String()
msg.data ="chao fly!"
pub.publish(msg)
rate.sleep()
添加执行权限
chmod +x chao_node.py
运行 python 节点
rosrun ssr_pkg chao_node.py
subscriber 订阅者节点 python 实现
回到根目录，新建 atr_pkg/scripts/ma_node.py，在根目录首次编译
catkin_make
编写代码
#!/usr/bin/env python3#coding=utf-8import rospy
from std_msgs.msg import String
defchao_callback(msg):
rospy.loginfo(msg.data)if __name__ =="__main__":
rospy.init_node("ma_node")
sub = rospy.Subscriber("Topic1", String, chao_callback, queue_size=10)
rospy.spin()
增加可执行权限
chmod +x ma_node.py
编写 launch 文件
<launch><!-- pkg: 包名 type: 节点 name: 名字 --><nodepkg="ssr_pkg"type="yao_node"name="yao_node"/><!-- 将 chao_node 的信息显示到另一个终端里，使用 launch-prefix --><nodepkg="ssr_pkg"type="chao_node"name="chao_node"/><!-- output 表示输出到屏幕，不然不会显示订阅者节点的信息 --><nodepkg="atr_pkg"type="ma_node"name="ma_node"launch-prefix="gnome-terminal -e"/></launch>
运行
roslaunch atr_pkg node.launch
机器人运动控制 C++ 实现
将 wpr_simulation 更新到最新版本状态
cd ~/catkin_ws/src/wpr_simulation
git pull
进入根目录重新编译
cd ~/catkin_ws
catkin_make
运行仿真环境
roslaunch wpr_simulation wpb_simple.launch
运行运动控制示例程序
rosrun wpr_simulation demo_vel_ctrl
创建软件包
catkin_create_pkg vel_pkg roscpp rospy geometry_msgs
- geometry_msgs 是速度消息类型软件包
在 vel_pkg/src 文件夹下创建 vel_node.cpp 文件，编写代码
#include<ros/ros.h>#include<geometry_msgs/Twist.h>intmain(int argc,char*argv[]){
ros::init(argc, argv,"vel_node");// nh 负责管理话题创建，消息发送
ros::NodeHandle nh;// 规定发布消息对象的主题名和消息对象的容量，这里最多可以接收10个消息
ros::Publisher pub = nh.advertise<geometry_msgs::Twist>("/cmd_vel",10);
geometry_msgs::Twist vel_msg;
vel_msg.linear.x =0.1;
vel_msg.linear.y =0;
vel_msg.linear.z =0;
vel_msg.angular.x =0;
vel_msg.angular.y =0;
vel_msg.angular.z =0;
ros:: Rate loop_rate(10);while(ros::ok()){// 发送消息
pub.publish(vel_msg);
loop_rate.sleep();}return0;}
geometry_msgs/Twist.h 的具体数据结构网址
http://docs.ros.org/en/api/geometry_msgs/html/msg/Twist.html
编辑 CMakeLists 文件
add_executable(vel_node src/vel_node.cpp)
add_dependencies(vel_node ${${PROJECT_NAME}_EXPORTED_TARGETS} ${catkin_EXPORTED_TARGETS})
target_link_libraries(vel_node
${catkin_LIBRARIES}
)
运行仿真环境
roslaunch wpr_simulation wpb_simple.launch
如果此时出现 [gazebo-1] process has died exit code 255, cmd /opt/ros/noetic/lib/gazebo_ros/gzserver 的错误，需要重启一下 ubuntu。
运行运动控制示例程序
rosrun vel_pkg vel_node
机器人运动控制 python 实现
先创建软件包，同 c++ 实现。在 src 目录下创建 vel_pkg/vel_node.py。编写代码
#!/usr/bin/env python3#coding=utf-8import rospy
from geometry_msgs.msg import Twist
if __name__ =="__main__":
rospy.init_node("vel_node")
vel_pub = rospy.Publisher("/cmd_vel", Twist, queue_size=10)
vel_msg = Twist()
vel_msg.linear.x =0.1
vel_msg.angular.z =0.5
rate = rospy.Rate(30)whilenot rospy.is_shutdown():
vel_pub.publish(vel_msg)
rate.sleep()
增加可执行权限
chmod +x vel_node.py
运行
roslaunch wpr_simulation wpb_simple.launch
rosrun vel_pkg vel_node.py
使用 RViz 观测传感器数据
Gazebo 表示机器人所处的环境，Rviz 负责接收来自 Gazebo 的数据。当机器人部署到现实环境中时，Gazebo 将被现实环境中的环境代替，但 Rviz 依然起到接收数据处理数据的作用。
Rviz 不参与机器人算法的运行，只是方便人类观测的工具。
打开 Gazebo
roslaunch wpr_simulation wpb_simple.launch
在终端输入
rviz
弹出主界面。
先把 Fixed Frame 改为 base_footprint。
点击 ADD，弹出 Rviz 能显示的数据类型的列表。
选中 RobotModel，点击 OK。
添加 激光雷达 LaserScan。
在 Gazebo 中添加物体，在 Rviz 中可以实时显示。
可以点击 File -> Save Config As，下次可以直接加载原先的配置。
在 Gazebo 中添加物体，如果想在 Rviz 中显示，可以从 launch 加载 Rviz 配置
roslaunch wpr_simulation wpb_rviz.launch
发现 Rviz 黑屏了，设置环境变量强制使用软件渲染
exportLIBGL_ALWAYS_SOFTWARE=1
激光雷达数据结构
查看传感器数据结构在 ROS index 搜索 sensor_msgs，选择 noetic 版本。找到 LaserScan ，这是激光雷达消息包的格式定义。
查看消息包
rostopic echo /scan --noarr
- –noarr 表示将数组折叠起来
显示
header:
seq: 12800
stamp:
secs: 1545
nsecs: 451000000
frame_id: "laser"
angle_min: -3.141590118408203
angle_max: 3.141590118408203
angle_increment: 0.017501894384622574
time_increment: 0.0
scan_time: 0.0
range_min: 0.23999999463558197
range_max: 10.0
ranges: "<array type: float32, length: 360>"
intensities: "<array type: float32, length: 360>"
- angle_min 扫描起始点
- angle_max 扫描终点
- angle_increment 相邻两次扫描角间隔
- time_increment 相邻两次扫描时间间隔
- range_min 最小测量距离 单位米
- range_max 最大测量距离 单位米
- ranges 360个数据，每次测量旋转一度
- intensities 测距返回的信号强度
获取雷达数据的 C++节点
运行雷达测试demo
rosrun wpr_simulation demo_lidar_data
创建软件包
catkin_create_pkg lidar_pkg roscpp rospy sensor_msgs
在软件包文件夹中新建文件 lidar_node.cpp，编写代码
#include <ros/ros.h>
#include <sensor_msgs/LaserScan.h>
// 订阅对象回调函数，用于接收消息，并做处理
void Lidar_callback(const sensor_msgs::LaserScan msg){
float fMidDist = msg.ranges[180];
ROS_INFO("%f m", fMidDist);
}
int main(int argc, char *argv[])
{
// ROS_INFO 编码方式受 lacale 环境设置影响，输出函数只支持英文字符显示
setlocale(LC_ALL, "");
ros::init(argc, argv, "lidar_node");
// nh 负责管理话题创建，消息发送
ros::NodeHandle nh;
// 新建消息订阅对象，确定话题名称和订阅对象消息容量，这里最多可以接收10个消息，话题名称不能是中文，定义回调函数名
ros::Subscriber lidar_sub = nh.subscribe("/scan", 10, Lidar_callback);
ros::spin();
return 0;
}
编写 CMakeLists
add_executable(lidar_node src/lidar_node.cpp)
target_link_libraries(lidar_node
${catkin_LIBRARIES}
)
打开 Gazebo
roslaunch wpr_simulation wpb_simple.launch
运行 lidar_node
rosrun lidar_pkg lidar_node
终端显示书柜距离。
激光雷达避障 C++ 节点
通过订阅激光雷达数据，发布控制小车速度的话题，实现小车的智能避障。加入小车速度发布代码
#include <ros/ros.h>
#include <sensor_msgs/LaserScan.h>
#include <geometry_msgs/Twist.h>
// 全局变量可以在回调函数中使用
ros::Publisher vel_pub;
// 有障碍物，维持转向状态
int nCount = 0;
// 订阅对象回调函数，用于接收消息，并做处理
void Lidar_callback(const sensor_msgs::LaserScan msg){
float fMidDist = msg.ranges[180];
ROS_INFO("%f m", fMidDist);
// nCount 大于零说明遇到障碍物了，所以一直减减，屏蔽向前走的代码
if (nCount > 0) {
nCount--;
return;
}
// 定义速度消息包
geometry_msgs::Twist vel_cmd;
if (fMidDist < 1.5) {
// 遇到障碍物，转弯
vel_cmd.angular.z = 0.3;
nCount = 50;
}
else {
// 没有障碍物，向前走
vel_cmd.linear.x = 0.05;
}
// 发布消息，控制小车
vel_pub.publish(vel_cmd);
}
int main(int argc, char *argv[])
{
// ROS_INFO 编码方式受 lacale 环境设置影响，输出函数只支持英文字符显示
setlocale(LC_ALL, "");
ros::init(argc, argv, "lidar_node");
// nh 负责管理话题创建，消息发送
ros::NodeHandle nh;
// 新建消息订阅对象，确定话题名称和订阅对象消息容量，这里最多可以接收10个消息，话题名称不能是中文，定义回调函数名
ros::Subscriber lidar_sub = nh.subscribe("/scan", 10, Lidar_callback);
vel_pub = nh.advertise<geometry_msgs::Twist>("/cmd_vel", 10);
ros::spin();
return 0;
}
打开 Gazebo
roslaunch wpr_simulation wpb_simple.launch
编译后运行避障代码
rosrun lidar_pkg lidar_node
IMU 消息包的数据格式
TODO
栅格地图格式
在 ROS index 里搜索 map_server，在 wiki 页面里找到 Published Topics 目录，打开 OccupancyGrid Message
C++ 节点发布地图
创建软件包
catkin_create_pkg map_pkg roscpp rospy nav_msgs
在软件包 src 目录下创建 map_pub_node.cpp，编写代码
#include<ros/ros.h>#include<nav_msgs/OccupancyGrid.h>intmain(int argc,char*argv[]){
ros::init(argc, argv,"map_pub_node");// nh 负责管理话题创建，消息发送
ros::NodeHandle nh;// 新建消息订阅对象，确定话题名称和订阅对象消息容量，这里最多可以接收10个消息，话题名称不能是中文，定义回调函数名
ros::Publisher pub = nh.advertise<nav_msgs::OccupancyGrid>("/map",10);
ros::Rate r(1);while(ros::ok()){
nav_msgs::OccupancyGrid msg;
msg.header.frame_id ="map";
msg.header.stamp = ros::Time::now();// 坐标（0，0）是地图左下角的坐标相对于坐标原点的偏移量
msg.info.origin.position.x =0;
msg.info.origin.position.y =0;// 栅格边长 单位m
msg.info.resolution =1.0;// 地图宽度
msg.info.width =4;// 地图高度
msg.info.height =2;// 地图形状
msg.data.resize(4*2);// 栅格数据 -1 表示未知
msg.data[0]=100;
msg.data[1]=100;
msg.data[2]=0;
msg.data[3]=-1;
pub.publish(msg);
r.sleep();}return0;}
添加编译规则
add_executable(map_pub_node src/map_pub_node.cpp)
target_link_libraries(map_pub_node
${catkin_LIBRARIES}
)
在项目根目录运行 catkin_make 编译后，运行节点
rosrun map_pkg map_pub_node
启动 rviz，点击 ADD，添加 Axes，Map。将 Map 里面的 Topic 改为 /map。
ros 常用命令
在终端中进入指定软件包的文件地址
roscd <package-name>
查看当前有哪些话题
rostopic list
查看话题内消息的内容
rostopic echo /<topic-name>
查看话题内发送消息的频率
rostopic hz /<topic-name>
显示当前节点与话题通讯关系图
rqt_graph
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