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ROS机器人编程：深入探索与C++实现_ros c++

作者：喵喵爱编程 | 2024-07-31 10:47:08

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ros c++

ROS机器人编程：深入探索与C++实现

在现代机器人技术的发展中，机器人操作系统（ROS）已经成为了一个不可或缺的工具。它为机器人应用提供了一个灵活的框架，使得开发和测试变得更加高效。本文将详细介绍如何使用C++在ROS中进行机器人编程，从ROS的基本概念，到C++代码的具体实现，涵盖多个方面，以期为机器人开发者提供一个系统性的参考。

什么是ROS

ROS，全称为Robot Operating System，是一个用于机器人软件开发的开源框架。它提供了一系列工具、库和约定，帮助开发者创建复杂而强大的机器人应用。ROS的核心特点包括：

分布式计算：支持多个节点（进程）之间的通信，使得复杂系统的模块化设计成为可能。
消息传递：基于发布/订阅模型，节点可以发送和接收消息，实现不同模块之间的数据交换。
工具链：提供了一整套开发、调试和可视化工具，极大地提高了开发效率。
硬件抽象：支持多种机器人硬件，使得代码可以在不同平台上复用。

ROS的主要组件

ROS由多个关键组件组成，包括：

节点（Node）：ROS系统中的基本单元，每个节点都是一个独立的进程。
话题（Topic）：节点之间进行数据交换的渠道，通过发布/订阅模型实现。
服务（Service）：节点之间的同步通信机制，用于请求/响应模式。
消息（Message）：节点之间传递的数据结构。
参数服务器（Parameter Server）：用于存储全局参数，供所有节点访问。

配置ROS环境

在开始编写ROS程序之前，需要先配置ROS开发环境。以下是配置ROS环境的基本步骤：

安装ROS

首先，需要在系统上安装ROS。以Ubuntu为例，安装步骤如下：

设置系统源列表和密钥：

sudo sh -c 'echo "deb http://packages.ros.org/ros/ubuntu $(lsb_release -sc) main" > /etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list'
sudo apt-key adv --keyserver 'hkp://keyserver.ubuntu.com:80' --recv-key C1CF6E31E6BADE8868B172B4F42ED6FBAB17C654
sudo apt update
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安装ROS：

sudo apt install ros-noetic-desktop-full
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初始化rosdep：
```
sudo rosdep init
rosdep update
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```

设置ROS环境变量：

echo "source /opt/ros/noetic/setup.bash" >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc
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安装ROS构建工具：

sudo apt install python3-rosinstall python3-rosinstall-generator python3-wstool build-essential
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创建和构建ROS工作空间

安装完成后，需要创建一个ROS工作空间，用于存放项目文件和包。

创建工作空间目录：

mkdir -p ~/catkin_ws/src
cd ~/catkin_ws/
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初始化和构建工作空间：
```
catkin_make
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```

设置工作空间环境变量：

echo "source ~/catkin_ws/devel/setup.bash" >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc
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编写第一个ROS节点

接下来，我们将编写一个简单的ROS节点，展示如何使用C++进行ROS编程。我们将创建一个发布者节点，它每秒发布一次“Hello, ROS!”的消息。

创建ROS包

在ROS中，所有代码都组织在包（Package）中。一个包包含了节点、配置文件、消息类型等。

进入工作空间的src目录：
```
cd ~/catkin_ws/src
1
```

创建一个名为hello_ros的包：

catkin_create_pkg hello_ros std_msgs roscpp
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编写C++代码

在hello_ros包中创建一个简单的发布者节点。

进入包目录：
```
cd ~/catkin_ws/src/hello_ros
1
```

创建src目录并编写C++代码：

mkdir src
cd src
touch hello_publisher.cpp
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编辑hello_publisher.cpp文件，代码如下：

#include "ros/ros.h"
#include "std_msgs/String.h"

int main(int argc, char **argv)
{
     
    // 初始化ROS节点
    ros::init(argc, argv, "hello_publisher");
    // 创建节点句柄
    ros::NodeHandle nh;

    // 创建一个Publisher，发布std_msgs::String类型的消息
    ros::Publisher hello_pub = nh.advertise<std_msgs::String>("hello_topic", 1000);

    // 设置发布频率
    ros::Rate loop_rate(1);

    while (ros::ok())
    {
     
        // 创建消息对象
        std_msgs::String msg;
        msg.data = "Hello, ROS!";

        // 发布消息
        hello_pub.publish(msg);

        // 打印日志信息
        ROS_INFO("%s", msg.data.c_str());

        // 按照指定频率延时
        loop_rate.sleep();
    }

    return 0;
}
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编写CMakeLists.txt

编辑CMakeLists.txt文件，添加以下内容以编译我们的C++节点：

cmake_minimum_required(VERSION 3.0.2)
project(hello_ros)

find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS
  roscpp
  std_msgs
)

catkin_package()

include_directories(
  ${catkin_INCLUDE_DIRS}
)

add_executable(hello_publisher src/hello_publisher.cpp)

target_link_libraries(hello_publisher
  ${catkin_LIBRARIES}
)
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编译和运行节点

回到工作空间的根目录，编译我们的ROS包：

cd ~/catkin_ws
catkin_make
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编译完成后，启动ROS核心节点：

roscore
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在另一个终端窗口中，启动我们编写的发布者节点：

rosrun hello_ros hello_publisher
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此时，你应该可以在终端中看到“Hello, ROS!”的输出日志。

编写订阅者节点

为了展示发布/订阅模型的完整流程，我们将再编写一个订阅者节点，用于接收并打印发布者发送的消息。

创建订阅者节点的C++代码

在src目录下创建hello_subscriber.cpp文件：
```
touch hello_subscriber.cpp
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```

编辑hello_subscriber.cpp文件，代码如下：

#include "ros/ros.h"
#include "std_msgs/String.h"

// 回调函数，接收到消息时调用
void chatterCallback(const std_msgs::String::ConstPtr& msg)
{
     
    ROS_INFO("I heard: [%s]", msg->data.c_str());
}

int main(int argc, char **argv)
{
     
    // 初始化ROS节点
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