ROS2_ros2学习手册

第一章  初识ROS

ROS2入门教程

 一、基本概念

1. ROS2 VS ROS1

• 在ROS1中，应用层里Master这个节点管理器的角色至关重要，所有节点都得听它指挥，类似是一个公司的CEO，有且只有一个，如果这个CEO突然消失，公司肯定会成一团乱麻。ROS2把这个最不稳定的角色请走了，节点可以通过另外一套discovery——自发现机制，找到彼此，从而建立稳定的通信连接。
• 中间层是ROS封装好的标准通信接口，我们写程序的时候，会频繁和这些通信接口打交道，比如发布一个图像的数据，接收一个雷达的信息，客户端库会再调用底层复杂的驱动和通信协议，让我们的开发变得更加简单明了。
• 在ROS1中，ROS通信依赖底层的TCP和UDP协议，而在ROS2中，通信协议更换成了更加复杂但也更加完善的DDS系统。
• 如果是在进程内需要进行大量数据的通信，ROS1和ROS2都提供了基于共享内存的通信方法，只不过名字不太一样而已。
• 最下边是系统层，也就是可以将ROS安装在哪些操作系统上，ROS1主要安装在Linux上，ROS2的可选项就很多了，Linux、windows、MacOS、RTOS都可以。

2. 终端命令行

Linux常用命令：路径：pwd  cd../  文件夹：mkdir cp rm mv  ls  文件：touch  cp rm mv  gedit

ROS2命令行：ROS1中的命令行相对分散，而ROS2对命令行做了大幅度的集成，所有操作都集成在一个ros2的总命令中，第一个参数表示不同的操作目的，具体操作干什么，还可以在后边继续跟一系列参数内容。

ROS常用命令_ros命令_EngineerX_的博客-CSDN博客

二、环境配置

1. 设置编码

$ sudo apt update && sudo apt install locales
$ sudo locale-gen en_US en_US.UTF-8

 英文环境(可不设置)

$ sudo update-locale LC_ALL=en_US.UTF-8 LANG=en_US.UTF-8 
$ export LANG=en_US.UTF-8

 改为中文：语言支持-将汉语拖动到最上方-应用到整个系统    火狐浏览器-设置-语言-中文

 ubuntu系统从英文修改为中文界面

2. 添加源

$ sudo gedit /etc/hosts

添加 185.199.108.133 raw.githubusercontent.com

$ sudo apt update && sudo apt install curl gnupg lsb-release 
$ sudo curl -sSL https://raw.githubusercontent.com/ros/rosdistro/master/ros.key -o /usr/share/keyrings/ros-archive-keyring.gpg 
$ echo "deb [arch=$(dpkg --print-architecture) signed-by=/usr/share/keyrings/ros-archive-keyring.gpg] http://packages.ros.org/ros2/ubuntu $(source /etc/os-release && echo $UBUNTU_CODENAME) main" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/ros2.list > /dev/null

3. 安装ROS2

$ sudo apt update
$ sudo apt upgrade
$ sudo apt install ros-humble-desktop

4. 设置环境变量

$ source /opt/ros/humble/setup.bash
$ echo " source /opt/ros/humble/setup.bash" >> ~/.bashrc 

5.测试

示例一 ： 启动两个终端，分别运行数据的发布者节点和订阅者节点，一发一收

$ ros2 run demo_nodes_cpp talker
$ ros2 run demo_nodes_py listener

ctrl+c 暂停运行

示例二 ：启动两个终端，分别运行海龟仿真节点和键盘控制节点，上下左右键控制运动

$ ros2 run turtlesim turtlesim_node
$ ros2 run turtlesim turtle_teleop_key

Vscode插件：C/C++、Python、CMake、vscode-icons、ROS、Msg Language Support、URDF

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第二章  ROS组成

一、工作空间与功能包

1.创建功能包

在工作空间WorkSpace的src文件下新建功能包

$ mkdir -p ~/dev_ws/src  # 新建文件夹
$ cd ~/dev_ws/src        
$ ros2 pkg create --build-type ament_cmake learning_pkg_c       # C++
$ ros2 pkg create --build-type ament_python learning_pkg_python # Python

功能包不是普通的文件夹，必然存在package.xml，它包含功能包的版权描述和各种依赖的声明。

C++类型功能包：CMakerLists.txt是编译规则，要在该文件中设置如何编译，使用CMake语法。

Python类型功能包：setup.py包含一些版权信息，要在该文件中的“entry_points”配置程序入口。

2.自动安装依赖

src里的代码多少都会有一些依赖，我们可以手动一个一个安装，也可以使用rosdep工具自动安装

$ sudo apt install -y python3-pip
$ sudo pip3 install rosdepc

$ sudo rosdepc init
$ rosdepc update
$ cd ..
$ rosdepc install -i --from-path src --rosdistro humble -y

3.编译工作空间

ROS1中使用的rosbuild和catkin问题诸多，ROS2重新优化后的编译系统叫做ament和colcon。

$ sudo apt install python3-colcon-ros

 在工作空间目录下编译，编译成功后就可看到自动生产的build、log、install文件夹了。

$ colcon build

4.设置环境变量

$ source install/local_setup.sh                               # 仅在当前终端生效
$ echo " source ~/dev_ws/install/local_setup.sh" >> ~/.bashrc # 所有终端均生效
# ~/dev_ws修改为自己的工作空间完整路径

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二、节点

节点类似于XXX模块，执行具体任务的进程，每个节点都是独立运行的可执行文件，可使用不同的编程语言，可分布式运行在不同主机，通过节点名称进行管理。

1.创建节点流程

• 编程接口初始化
• 新建节点并初始化
• 实现节点功能（面向对象 / 面向过程）
• 销毁节点并关闭接口

完成代码的编写后需要配置功能包：更改setup.py程序入口或者CMakerLists.txt配置

2.节点命令的常用操作

$ ros2 node list                 # 查看节点列表
$ ros2 node info <node_name>     # 查看节点信息
 
$ ros2 run [功能包名称] [节点名称]  # 运行节点
# 运行前需要先 colcon build 重新编译 

三、通信接口

ROS有三种常用的通信机制，分别是话题、服务、动作，通过每一种通信种定义的接口，各种节点才能有机的联系到一起。

在机器人开发过程中，类似的通信应用比比皆是，ROS针对绝大部分通用场景，都设计了标准的话题和服务数据类型， 在ROS安装路径 /opt/ros/humble/share文件夹中涵盖众多标准定义。很多时候这些标准定义也无法满足我们的需求，这个时候，我们就要自定义通信接口了。

• 话题使用的是.msg文件，由于是单向传输，只需要描述传输的每一帧数据是什么就行

• 服务使用的是.srv文件，包含请求和应答两部分定义，通过中间的“---”区分

• 动作使用的是.action文件，分成三个部分来描述机器人的一个运动过程，动作的目标比如是开始运动，运动的结果比如最终旋转的90度是否完成，反馈比如每隔1s反馈一下当前转动角度

接口命令行操作：

$ ros2 interface list                    # 查看系统接口列表
$ ros2 interface show <interface_name>   # 查看某个接口的详细定义
$ ros2 interface package <package_name>  # 查看某个功能包中的接口定义

1. 话题

话题是节点间传递数据的桥梁，发布/订阅模型、发布者和订阅者的数量不唯一（注意区分发布优先级）、异步通信机制（发布者不知订阅者何时收到）、.msg文件定义通信的消息结构。

(1)发布者流程总结

• 创建发布者对象      (消息类型、话题名、队列长度)
• 创建定时器，回调函数里发布话题消息          

(2)订阅者流程总结

• 创建订阅者对象     (消息类型、话题名、订阅者回调函数、队列长度)
• 回调函数里处理话题数据

(3)话题命令行操作

$ ros2 topic list                # 查看话题列表
$ ros2 topic info <topic_name>   # 查看话题信息
$ ros2 topic hz <topic_name>     # 查看话题发布频率
$ ros2 topic bw <topic_name>     # 查看话题传输带宽
$ ros2 topic echo <topic_name>   # 查看话题数据
$ ros2 topic pub <topic_name> <msg_type> <msg_data>   # 发布话题消息
 
$ rqt_graph # 查看话题示意图

(4)应用场景

话题类似订阅公众号、报纸等，适合传感器、控制指令等周期性（定时器）、单向传输的数据。

2. 服务

服务是节点间的你问我答，客户端/服务器模型、服务器唯一，客户端可以不唯一、同步通信机制、.srv文件定义请求和应答的数据结构。

(1)客户端流程总结

• 创建客户端对象     （接口类型、服务名）
• 创建并发送请求数据
• 等待服务器端应答数据

(2)服务器流程总结

• 创建服务器端对象  （接口类型、服务名、服务器回调函数）
• 通过回调函数进行服务
• 向客户端反馈应答结果

(3)服务命令行操作

$ ros2 service list                  # 查看服务列表
$ ros2 service type <service_name>   # 查看服务数据类型
$ ros2 service call <service_name> <service_type> <service_data>   # 发送服务请求

(4)应用场景

服务类似浏览网页，适合一问一答，同步性要求更高的数据。

3. 动作

动作是完整行为的流程管理，客户端/服务器模型、服务器唯一，客户端可以不唯一、同步通信机制、.action文件定义请求和应答的数据结构。

(1)客户端流程总结

• 创建动作客户端对象     （接口类型、动作名）
• 创建并发送请求数据
• 设置动作服务器收到目标反馈的回调函数
• 设置动作服务器周期反馈消息的回调函数
• 设置动作服务器最终执行结果的回调函数

(2)服务器流程总结

• 创建动作服务器端对象  （接口类型、动作名、服务器回调函数）
• 通过回调函数进行服务
• 向客户端反馈状态及结果

(3)动作命令行操作

$ ros2 action list                  # 查看服务列表
$ ros2 action info <action_name>    # 查看服务数据类型
$ ros2 action send_goal <action_name> <action_type> <action_data> <--feedback>  # 发送服务请求

(4)应用场景

客户端发送给一个动作目标，服务器控制机器人开始运动，并周期反馈，结束后反馈结束信息。

4.参数

参数是ROS机器人系统中的全局字典，可以多个节点中共享数据，可实现动态监控。

(1)参数操作

• 创建参数   （参数名、初始值）
• 读取参数值
• 修改参数值（参数名、参数类型、修改值）

(2)参数命令行操作

$ ros2 param list                          # 查看节点参数列表
$ ros2 param describe <节点名> <参数名>      # 查看某个参数的描述信息
$ ros2 param get <节点名> <参数名>           # 查询某个参数的值
$ ros2 param set <节点名> <参数名> <参数值>   # 修改某个参数的值
$ ros2 param dump <节点名> >> <节点名>.yaml  # 将某个节点的参数保存到参数文件中
$ ros2 param load <节点名> <节点名>.yaml     # 一次性加载某一个文件中的所有参数

四、分布式通信

1.分布式数据传输

只要两个计算机安装好ROS2，并且处于同一网络中，他们就可以实现通信。

2.分布式网络分组

ROS2提供了一个DOMAIN的机制，就类似分组一样，处于同一个DOMAIN中的计算机才能通信。

$ gedit .bashrc
$ export ROS_DOMAIN_ID=<your_domain_id> # 添加至末尾
$ source .bashrc

五、DDS

DDS的全称是Data Distribution Service，也就是数据分发服务,是一种通信的标准。DDS是机器人的神经网络，它的加入让ROS2的通信系统焕然一新，多众多样的通信模式配置，可以更好的满足不同场景下的机器人应用。

DDS中的基本结构是Domain，Domain将各个应用程序绑定在一起进行通信，回忆下之前我们配置树莓派和电脑通信的时候，配置的那个DOMAIN ID，就是对全局数据空间的分组定义，只有处于同一个DOMAIN小组中的节点才能互相通信。这样可以避免无用数据占用的资源。

DDS中另外一个重要特性就是质量服务策略，QoS。它是一种网络传输策略，应用程序指定所需要的网络传输质量行为，QoS服务实现这种行为要求，尽可能地满足客户对通信质量的需求。具体会有哪些策略？比如：

• DEADLINE策略，表示通信数据必须要在每次截止时间内完成一次通信；
• HISTORY策略，表示针对历史数据的一个缓存大小；
• RELIABILITY策略，表示数据通信的模式，模式一样才可二者通信：
  • 配置成BEST_EFFORT，就是尽力传输模式，网络情况不好的时候，也要保证数据流畅，此时可能会导致数据丢失，
  • 配置成RELIABLE，就是可信赖模式，可以在通信中尽量保证图像的完整性，我们可以根据应用功能场景选择合适的通信模式；
• DURABILITY策略，可以配置针对晚加入的节点，也保证有一定的历史数据发送过去，可以让新节点快速适应系统。

1.命令行中配置DDS

启动第一个终端，我们使用best_effor创建一个发布者节点，循环发布任意数据。

在另外一个终端中，如果我们使用reliable模型订阅同一话题，无法实现数据通信。

如果修改为同样的best_effort，才能实现数据传输。

$ ros2 topic pub /chatter std_msgs/msg/Int32 "data: 42" --qos-reliability best_effort 
$ ros2 topic echo /chatter --qos-reliability reliable
$ ros2 topic echo /chatter --qos-reliability best_effort

查看ROS2系统中每一个发布者或者订阅者的QoS策略：

$ ros2 topic info /chatter --verbose

2.DDS编程示例

(1)发布者流程总结

• 创建一个QoS原则
• 创建发布者对象      (消息类型、话题名、QoS原则)
• 创建定时器，回调函数里发布话题消息          

(2)订阅者流程总结

• 创建一个QoS原则
• 创建订阅者对象     (消息类型、话题名、订阅者回调函数、QoS原则)
• 回调函数里处理话题数据 

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第三章 常用工具

一、Launch

Launch启动文件，它是ROS系统中多节点启动与配置的一种脚本。

1.多节点启动

$ ros2 launch <功能包名> <launch文件>

from launch import LaunchDescription           # launch文件的描述类
from launch_ros.actions import Node            # 节点启动的描述类
 
def generate_launch_description():             # 自动生成launch文件的函数
    return LaunchDescription([                 # 返回launch文件的描述信息
        Node(                                  # 配置一个节点的启动
            package='learning_topic',          # 节点所在的功能包
            executable='topic_helloworld_pub', # 节点的可执行文件
        ),
        Node(                                  # 配置一个节点的启动
            package='learning_topic',          # 节点所在的功能包
            executable='topic_helloworld_sub', # 节点的可执行文件名
        ),
    ])

相当于一个launch文件替代执行了启动两个终端，分别运行话题的发布者节点＆订阅者节点：

$ ros2 run learning_topic topic_helloworld_pub

$ ros2 run learning_topic topic_helloworld_sub

2.命令行参数配置

ros2命令后可配置一些传入程序的参数，使用launch文件一样可以做到。

      Node(                             # 配置一个节点的启动
         package='rviz2',               # 节点所在的功能包
         executable='rviz2',            # 节点的可执行文件名
         name='rviz2',                  # 对节点重新命名
         arguments=['-d', rviz_config]  # 加载命令行参数
      )

3.资源重映射

为了提高软件的复用性，ROS提供了资源重映射的机制，解决对资源重新命名的问题。

        Node(                             # 配置一个节点的启动
            package='turtlesim',          # 节点所在的功能包
            executable='mimic',           # 节点的可执行文件名
            name='mimic',                 # 对节点重新命名
            remappings=[                  # 资源重映射列表
                ('/input/pose', '/turtlesim1/turtle1/pose'),         # 将/input/pose话题名修改为/turtlesim1/turtle1/pose
                ('/output/cmd_vel', '/turtlesim2/turtle1/cmd_vel'),  # 将/output/cmd_vel话题名修改为/turtlesim2/turtle1/cmd_vel
            ]
        )

4.ROS参数设置

ROS系统中的参数，也可以在Launch文件中设置。

      Node(                            # 配置一个节点的启动
         package='turtlesim',          # 节点所在的功能包
         executable='turtlesim_node',  # 节点的可执行文件名
         namespace='turtlesim2',       # 节点所在的命名空间
         name='sim',                   # 对节点重新命名
         parameters=[config]           # 加载参数文件
      )

5.Launch文件包含

在复杂的机器人系统中，launch文件也会有很多，此时我们可以使用类似编程中的include机制，让launch文件互相包含。

def generate_launch_description():                   # 自动生成launch文件的函数
   parameter_yaml = IncludeLaunchDescription(        # 包含指定路径下的另外一个launch文件
      PythonLaunchDescriptionSource([os.path.join(
         get_package_share_directory('learning_launch'), 'launch'),
         '/parameters_nonamespace.launch.py'])
      )
 
   parameter_yaml_with_namespace = GroupAction(      # 对指定launch文件中启动的功能加上命名空间
      actions=[
         PushRosNamespace('turtlesim2'),
         parameter_yaml]
      )
 
   return LaunchDescription([                        # 返回launch文件的描述信息
      parameter_yaml_with_namespace
   ])

6.功能包编译配置

    ...
 
    data_files=[
        ('share/ament_index/resource_index/packages',
            ['resource/' + package_name]),
        ('share/' + package_name, ['package.xml']),
        (os.path.join('share', package_name, 'launch'), glob(os.path.join('launch', '*.launch.py'))),
        (os.path.join('share', package_name, 'config'), glob(os.path.join('config', '*.*'))),
        (os.path.join('share', package_name, 'rviz'), glob(os.path.join('rviz', '*.*'))),
    ],
 
    ...

二、TF

机器人坐标系管理神器

$ sudo apt install ros-humble-turtle-tf2-py ros-humble-tf2-tools
$ sudo pip3 install transforms3d

查看TF树

$ ros2 run tf2_tools view_frames 

订阅5s内的坐标结构，默认在当前终端路径下生成一个frames.pdf文件

查询坐标变换信息

$ ros2 run tf2_ros tf2_echo turtle2 turtle1

终端中就会循环打印坐标系的变换数值了，由平移和旋转两个部分组成，还有旋转矩阵。

坐标系可视化

$ ros2 run rviz2 rviz2 -d $(ros2 pkg prefix --share turtle_tf2_py)/rviz/turtle_rviz.rviz

静态TF变换

两者之间的相对位置不会发生改变，通过创建一个静态的TF广播器对象进行维护。

TF监听

创建坐标变换的监听器，查询两个坐标系之间的位置关系。

三、URDF

机器人一般是由硬件结构、驱动系统、传感器系统、控制系统四大部分组成，机器人建模的过程，其实就是按照类似的思路，通过建模语言，把机器人每一个部分都描述清楚，再组合起来的过程。

URDF全称是统一机器人描述格式，可清晰描述机器人自身的模型，还可描述机器人的外部环境。

URDF使用的是XML格式，关键是通过<link>和<joint>，理清楚每一个连杆和关节的描述信息。

1.连杆Link的描述

<link>标签用来描述机器人某个刚体部分的外观和物理属性，外观包括尺寸、颜色、形状，物理属性包括质量、惯性矩阵、碰撞参数等。

<visual>，描述机器人的外观：

• <geometry>表示几何形状，里边使用<mesh>调用了一个在三维软件中提前设计好的蓝色外观，就是这个stl文件，看上去和真实机器人是一致的
• <origin>表示坐标系相对初始位置的偏移，分别是x、y、z方向上的平移，和roll、pitch、raw旋转，不需要偏移的话，就全为0。

<collision>，描述碰撞参数：

• <visual>部分重在描述机器人看上去的状态，也就是视觉效果；（蓝色部分）
• <collision>部分则是描述机器人运动过程中的状态，比如机器人与外界如何接触算作碰撞。（复杂模型在计算碰撞检测时要求的算力较高，为了简化计算改为描述绿色框）

2.关节Joint描述

• parent标签：描述父连杆；
• child标签：描述子连杆，子连杆会相对父连杆发生运动；
• origin：表示两个连杆坐标系之间的关系，也就是图中红色的向量，可以理解为这两个连杆该如何安装到一起；
• axis表示关节运动轴的单位向量，比如z等于1，就表示这个旋转运动是围绕z轴的正方向进行的；
• limit就表示运动的一些限制了，比如最小位置，最大位置，和最大速度等。

ROS中关于平移的默认单位是m，旋转是弧度（不是度），所以这里的3.14就表示可以在-180度到180度之间运动，线速度是m/s，角速度是rad/s。 

3.建模过程

机器人的模型放置在功能包中，包含的文件夹如下：

• urdf：存放机器人模型的URDF或xacro文件
• meshes：放置URDF中引用的模型渲染文件
• launch：保存相关启动文件
• rviz：保存rviz的配置文件

模型可视化效果

Rviz中显示自己建立的机器人模型，可以使用鼠标拖拽观察。

$ ros2 launch learning_urdf display.launch.py

查看URDF模型结构

在模型的路径下，使用urdf_to_graphviz来分析URDF模型，运行成功后会产生一个pdf文件

$ urdf_to_graphviz mbot_base.urdf  # 在模型文件夹下运行

四、Gazebo

Gazebo是ROS系统中最为常用的三维物理仿真平台，支持动力学引擎，可以实现高质量的图形渲染，不仅可以模拟机器人及周边环境，还可以加入摩擦力、弹性系数等物理属性。

1.安装与运行

$ sudo apt install ros-humble-gazebo-*

将离线模型下载并放置到~/.gazebo/models路径下（开启查看隐藏文件）：

GitHub - osrf/gazebo_models: Gazebo database of SDF models. This is a predecessor to https://app.gazebosim.org

$ ros2 launch gazebo_ros gazebo.launch.py

2.XACRO机器人模型优化

之前设计好的URDF模型此时还不能直接放到Gazebo中，需要我们做一些优化。

XACRO文件——URDF文件格式的升级版本，建模过程就像写代码一样，功能更为丰富了。

$ sudo apt install ros-humble-xacro

3.Ignition

随着技术的进步，Gazebo仿真平台也在不断迭代，新一代的Gazebo命名为Ignition

$ sudo apt install ros-humble-ros-ign 
$ ros2 launch ros_ign_gazebo_demos rgbd_camera_bridge.launch.py

五、Rviz

Rviz是可视化平台，核心功能是显示数据。

1.运行

$ ros2 run rviz2 rviz2

 2.仿真插件配置

关于传感器的仿真，都需要使用Gazebo提供的插件。插件需要先配置，再运行。

六、RQT

ROS提供的另外一种模块化可视化工具——rqt，简单的模块化的可视化工具。

安装与运行

$ sudo apt install ros-humble-rqt
$ rqt