ROS中的常用组件

ROS技术基础及应用第四章ROS中的常用组件，内容有launch启动文件、TF坐标变换、Qt工具箱、viz三维可视化平台、Gazebo仿真环境、rosbag数据记录与回放。

ROS中的常用组件

• launch启动文件
  • 启动文件（Launch File）是ROS中一种同时启动多个节点的途径
    • 它还可以自动启动ROS Master节点管理器，并且可以实现每个节点的各种配置
  • 基本元素
    • 一个简单的launch文件
      • <launch> <node pkg="turtlesim" name="sim1" type="turtlesim_node"/> <node pkg="turtlesim" name="sim2" type="turtlesim_node"/> </launch>
      • 采用XML的形式进行描述
      • 包含一个根元素<launch>和两个节点元素<node>
    • <launch>
      • XML文件必须包含一个根元素，launch文件中的根元素采用<launch>标签定义，文件中的其他内容都必须包含在这个标签中：
    • <node>
      • 启动文件的核心是启动ROS节点，采用<node>标签定义，语法如下
        • <node pkg="package-name" type="executable-name" name="node-name" />
      • 在启动文件中启动一个节点需要三个属性：
        • pkg
          • 定义节点所在的功能包名称
        • type
          • 定义节点的可执行文件名称
        • 这两个属性等同于在终端中使用rosrun命令执行节点时的输入参数
        • name
          • 属性用来定义节点运行的名称，将覆盖节点中init()赋予节点的名称
      • 某些情况下，用到以下属性
        • output="screen"
          • 将节点的标准输出打印到终端屏幕，默认输出为日志文档
        • respawn="true"
          • 复位属性，该节点停止时，会自动重启，默认为false
        • required="true"
          • 必要节点，当该节点终止时，launch文件中的其他节点也被终止
        • ns="namespace"
          • 命名空间，为节点内的相对名称添加命名空间前缀
        • args="arguments"
          • 节点需要的输入参数
  • 参数设置
    • launch文件支持参数设置的功能，类似于编程语言中的变量声明
    • 关于参数设置的标签元素有两个
      • <param>
        • parameter是ROS系统运行中的参数，存储在参数服务器中
        • <param>的使用方法
          • <param name="output_frame" value="odom"/>
          • 运行launch文件后，output_frame这个parameter的值就设置为odom，并且加载到ROS参数服务器上了
          • 参数很多时：
            • 另外一种类似的参数（<rosparam>）加载方式
            • <rosparam file="$(find 2dnav_pr2)/config/costmap_common_params.yaml" command="load" ns="local_
              • 将一个YAML格式文件中的参数全部加载到ROS参数服务器中
              • 需要设置command属性为“load”，还可以选择设置命名空间“ns”
      • <arg>
        • argument是另外一个概念，类似于launch文件内部的局部变量，仅限于launch文件使用，便于launch文件的重构，与ROS节点内部的实现没有关系。
        • 设置argument使用<arg>标签元素，语法如下
          • <arg name="arg-name" default= "arg-value"/>
        • launch文件中需要使用到argument时，可以使用如下方式调用
          • <param name="foo" value="$(arg arg-name)" /> <node name="node" pkg="package" type="type " args="$(arg arg-name)" />
  • 重映射机制
    • 不需要修改别人的功能包的接口，只需要将接口名称重映射一下，取一个别名，我们的系统就认识了
      • 接口的数据类型必须相同
    • launch文件中的<remap>标签可以帮助我们实现这个重映射功能
      • 例如
        • <remap from="/turtlebot/cmd_vel" to="/cmd_vel"/>
  • 嵌套复用
    • launch文件之间也会存在依赖关系
      • 如果要直接复用一个已有launch文件中的内容，可以使用<include>标签包含其他launch文件，这与C语言中的include几乎是一样的
        • <include file="$(dirname)/other.launch" />
    • launch是ROS框架中非常实用、灵活的功能，它类似于一种高级编程语言
    • 在使用ROS的过程中，很多情况下我们并不需要编写大量代码，仅需要使用已有的功能包，编辑一下launch文件就可以完成很多机器人功能。
• TF坐标变换
  • 在机器人设计和机器人应用中都会涉及不同组件的位置和姿态，这就需要引入坐标系以及坐标变换的概念标变换
  • 坐标变换是机器人系统中常用的基础功能，ROS中的坐标变换系统由TF功能包维护
  • TF功能包
    • TF是一个让用户随时间跟踪多个坐标系的功能包，它使用树形数据结构，根据时间缓冲并维护多个坐标系之间的坐标变换关系，可以帮助开发者在任意时间、在坐标系间完成点、向量等坐标的变换
    • • 一个机器人系统通常有很多三维坐标系，而且 会 随 着 时 间 的 推 移 发 生 变 化
      • 如 世界坐标系 （ WorldFrame ） 、 基 坐 标 系 （ Base Frame ） 、 机 械 夹 爪 坐 标 系（Gripper Frame）、机器人头部坐标系（Head Frame）等
    • TF可以在分布式系统中进行操作
      • 所有订阅TF消息的节点都会缓冲一份所有坐标系的变换关系数据
      • 要使用TF功能包，总体来说需要以下两个步骤
        • 监听TF变换
          • 接收并缓存系统中发布的所有坐标变换数据，并从中查询所需要的坐标变换关系
        • 广播TF变换
          • 向系统中广播坐标系之间的坐标变换关系
            • 系统中可能会存在多个不同部分的TF变换广播，每个广播都可以直接 将坐标变换关系插入TF树中，不需要再进行同步
  • TF工具
    • tf_monitor
      • 功能是打印TF树中所有坐标系的发布状态
        • rosrun tf tf_monitor
        • 也可以通过输入参数来查看指定坐标系之间的发布状态
          • rosrun tf tf_monitor<source_frame> <target_target>
    • tf_echo
      • 功能是查看指定坐标系之间的变换关系
        • tf_echo <source_frame> <target_frame>
    • .static_transform_publisher
      • 功能是发布两个坐标系之间的静态坐标变换
        • 这两个坐标系不发生相对位置变化
      • 命令的格式如下
        • static_transform_publisher x y z yaw pitch roll frame_id child_frame_id period_in_ms
        • static_transform_publisher x y z qx qy qz qw frame_id child_frame_id period_in_ms
        • 需要设置坐标的偏移参数和旋转参数
          • 偏移参数使用相对于x、y、z三轴的坐标位移
          • 旋转参数的第一种命令格式使用以弧度为单位的yaw/pitch/roll角度
            • 第二种命令格式使用四元数表达旋转角度
          • 发布频率以ms为单位
      • 该命令不仅可以在终端中使用，还可以在launch文件中使用，方法如下
        • <launch> <node pkg="tf" type="static_transform_publisher" name="link1_broadcaster" args="1 0 0 0 0 </launch>
    • view_frames
      • view_frames是可视化的调试工具，可以生成pdf文件，显示整棵TF树的信息
      • 该命令的执行方式
        • rosrun tf view_frames
        • 然后使用如下命令
          • evince frames.pdf
    • rqt_tf_tree
      • rqt_tf_tree是一个运行时工具，用于可视化通过ROS广播的TF树。只需通过图表左上角的刷新按钮刷新树即可
        • 命令： rosrun rqt_tf_tree rqt_tf_tree 或： rqt &
  • 乌龟例程中的TF
    • 在乌龟仿真器中通过一个例程（turtle_tf）来理解TF 的作用
    • 安装turtle_tf包
      • sudo apt-get install ros-noetic-turtle-tf
    • 运行例程
      • roslaunch turtle_tf turtle_tf_demo.launch
    • 打开键盘控制节点，控制中心位置的小乌龟运行
      • rosrun turtlesim turtle_teleop_key
    • TF是如何运用
      • 首先使用TF工具来看一下这个例程中的TF树
        • rosrun tf view_frames
          • 当前系统中存在三个坐标系
            • world
              • world是TF树的根节点
              • 是世界坐标系，作为系统的基础坐标系，其他坐标系都相对该坐标系建立
            • turtle1
            • turtle2
            • 两个乌龟坐标系，这两个坐标系的原点就是乌龟在世界坐标系下的坐标位置
          • 使用tf_echo工具在TF树中查找乌龟坐标系 之间的变换关系
            • rosrun tf tf_echo turtle1 turtle2
  • 创建TF广播器
    • 首先需要创建一个发布乌龟坐标系与世界坐标系之间 TF变换的节点
      • 实现源码learning_tf/src/turtle_tf_broadcaster.cpp的具体内容
        • • 关键部分是处理乌龟pose消息的回调函数poseCallback
          • 在广播TF消息之前需要定义tf：：TransformBroadcaster广播器，然后根据乌龟当前的位姿设置tf：：Transform类型的坐标变换
            • 包含setOrigin设置的平移变换以及setRotation设置的旋转变换
    • 然后使用广播器将坐标变换插入TF树并进行发布
    • TF消息广播之后，其他节点就可以监听该TF消息，从而获取需要的坐标变换了
      • 监听TF消息，并从中获取turtle2相对于turtle1坐标系的变换，从而控制turtle2移动
        • 实现源码learning_tf/src/turtle_tf_listener.cpp的详细内容如下
          • 该节点首先通过服务调用产生乌龟turtle2
          • 然后声明控制turtle2速度的Publisher
          • 在监听TF消息之前，需要创建一个tf：：TransformListener类型的监听器
            • 创建成功后监听器会自动接收TF树的消息，并且缓存10秒
          • 然后在循环中就可以实时查找TF树中的坐标变换了，这里需要调用的是tf：：TransformListener中的两个接口：
            • waitForTransform
              • 给定源坐标系（source_frame）和目标坐标系（target_frame）
              • 等待两个坐标系之间指定时间（time）的变换关系
            • lookupTransform
              • 给定源坐标系（source_frame）和目标坐标系（target_frame），得到两个坐标系之间指定时间（time）的坐标变换（transform）
              • ros：：Time(0)表示我们想要的是最新一次的坐标变 换
          • 然后根据坐标系之间的位置关系，计算得到turtle2需要运动的线速度和角速度，并发布速度控制指令使turtle2向turtle1移动
  • 实现乌龟跟随运动
    • 来编写一个launch文件，使所有节点运行起来
    • 实现源码learning_tf/launch/start_demo_with_listener.launch的详细内容如下
      • <launch> <!-- 海龟仿真器 --> <node pkg="turtlesim" type="turtlesim_node" name="sim"/> <!-- 键盘控制 --> <node pkg="turtlesim" type="turtle_teleop_key" name="teleop" output="screen"/> <!-- 两只海龟的tf广播 --> <node pkg="learning_tf" type="turtle_tf_broadcaster“ args="/turtle1" name="turtle1_tf_broadcaster" /> <node pkg="learning_tf" type="turtle_tf_broadcaster“ args="/turtle2" name="turtle2_tf_broadcaster" /> <!-- 监听tf广播，并且控制turtle2移动 --> <node pkg="learning_tf" type="turtle_tf_listener" name="listener" /> </launch>
• Qt工具箱
  • ROS提供了一个 Qt 架构的后台图形工具套件 ——rqt_common_plugins
  • 日志输出工具（rqt_console）
    • rqt_console工具用来图像化显示和过滤ROS系统运行状态中的所有日志消息，包括info、warn、error等级别的日志
    • 使用以下命令即可启动该工具
      • rqt_console
  • 计算图可视化工具（rqt_graph）
    • rqt_graph工具可以图形化显示当前ROS系统中的计 算图
  • 数据绘图工具（rqt_plot）
    • rqt_plot是一个二维数值曲线绘制工具，可以将需要显示的数据在xy坐标系中使用曲线描绘
• rviz三维可视化平台
  • 机器人系统中存在大量数据
    • 需要将数据可视化显示
      • 机器人模型的可视化
      • 图像数据的可视化
      • 地图数据的可视化
  • 可以使用XML对机器人、周围物体等任何实物进行尺寸、质量、位置、材质、关节等属性的描述，并且在界面中呈现出来；
  • 可以通过图形化方式，实时显示机器人传感器的信息、机器人的运动状态、周围环境的变化等
  • 可以帮助开发者实现所有可监测信息的图形化显示
  • 可以在rviz的控制界面下，通过按钮、滑动条、数值等方式控制机器人的行为
  • 安装并运行rviz
    • 在终端中分别运行如下命令即可启动ROS和rviz平台
      • roscore
      • rosrun rviz rviz
    • rviz主界面主要包含以下几个部分
      • 3D视图区，用于可视化显示数据，目前没有任何数据，所以显示黑色0
      • 工具栏，用于提供视角控制、目标设置、发布地点等工具
      • 显示项列表，用于显示当前选择的显示插件，可以配置每个插件的属性
      • 视角设置区，用于选择多种观测视角
      • 时间显示区，用于显示当前的系统时间和ROS时间
  • 数据可视化
    • 需要可视化的数据以对应的消息类型发布，我们在rviz中使用相应的插件订阅该消息即可实现显示
      • 首先，需要添加显示数据的插件
        • 点击rviz界面左侧下方的“Add”按钮，rviz会将默认支持的所有数据类型的显示插件罗列出来
        • 列表中选择需要的数据类型插件，然后在“Display Name”文本框中填入一个唯一的名称，用来识别显示的数据
        • 添加完成后，rviz左侧的Dispalys中会列出已经添加的显示插件；点击插件列表前的加号，可以打开一个属性列表，根据需求设置属性
        • 一般情况下“Topic”属性较为重要，用来声明该显示插件所订阅的数据来源，如果订阅成功，在中间的显示区应该会出现可视化后的数据
        • 如果显示有问题，请检查属性区域的“Status”状态
  • 插件扩展机制
    • 默认数据类型
    • 如果需要添加其他数据的显示，也可以通过编写插件的形式进行添加
  • Interactive Makers教程
    • 启动包含 interactivemarker server的节点
      • rosrun interactive_marker_tutorials basic_controls
      • 在另一个终端中运行以下命令来启动 RViz
        • rosrun rviz rviz
    • 在 RViz 中，执行以下操作
      • 将“Fixed Frame”设置为“/base_link”
      • 通过单击“Displays”面板中的“Add”来添加“Interactive Markers”显示
      • 将此显示的Update Topic设置为“/basic_controls/update”。这应该会立即在 rviz 中调出几个灰色立方体
      • 现在在工具栏中选择“Interact”。这将启用主视图中的所有交互式元素，在框周围显示额外的箭头和环
      • 添加“Grid”显示
• Gazebo仿真环境
  • Gazebo是一个功能强大的三维物理仿真平台
  • 虽然Gazebo中的机器人模型与rviz使用的模型相同，但是需要在模型中加入机器人和周围环境的物理属性，例如质量、摩擦系数、弹性系数等
  • Gazebo的特点
    • 动力学仿真
      • 支持多种高性能的物理引擎
    • 三维可视化环境
      • 支持显示逼真的三维环境，包括光线、纹理、影子
    • 传感器仿真
    • 可扩展插件
    • 多种机器人模型
      • 官方提供PR2、Pioneer2 DX、TurtleBot等机器人模型
      • 当然也可以使用自己创建的机器人模型
    • TCP/IP传输
      • Gazebo的后台仿真处理和前台图形显示可以通过网络通信实现远程仿真
    • 云仿真
      • Gazebo仿真可以在Amazon、Softlayer等云端运行
    • 终端工具
      • 用户可以使用Gazebo提供的命令行工具在终端实现仿真控制
  • Gazebo的版本变化虽然较大，但是兼容性保持得比较好
  • 安装并运行Gazebo
    • roscore rosrun gazebo_rosgazebo
    • 验证Gazebo是否与ROS系统成功连接，可以查看ROS的话题列表
      • rostopic list
        • 如果连接成功，应该可以看到Gazebo发布/订阅的如下话题列表
    • Gazebo提供的服务列表：$ rosservice list
  • 构建仿真环境
    • Gazebo中有两种创建仿真环境的方法
      • 直接插入模型
      • Building Editor
• rosbag数据记录与回放
  • rosbag，可以帮助开发者收集ROS系统运行时的消息数据，然后在离线状态下回放
  • 记录数据
    • 使用rosbag抓取这些话题的消息，并且打包成一个文件放置到指定文件夹中
      • $ mkdir ~/bagfiles $ cd ~/bagfiles $ rosbag record -a
        • -a(all)参数意为记录所有发布的消息
    • 以.bag为后缀的文件，这就是成功生成的数据记录文件了
  • 回放数据
    • rosbag功能包提供了info命令，可以查看数据记录文件的详细信息
      • rosbag info <your bagfile>
      • 使用如下命令回放所记录的话题数据：$ rosbag play <your bagfile>