matlab中zwros,ROS在MATLAB中的使用笔记

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官方参考文档：

1. ROS环境变量设置

% 检测标准ROS环境变量的值

getenv('ROS_MASTER_URI')

getenv('ROS_HOSTNAME')

getenv('ROS_IP')

% 设置ROS环境变量的值

setenv('ROS_MASTER_URI','http://192.168.1.1:11311')

setenv('ROS_IP','192.168.1.100')

rosinit

2. ROS初始化及常用指令

默认情况下， “rosinit” 指令在MATLAB中创建一个ROS主控节点并开始了一个“global node”节点，该节点与主控节点相连。“global node”节点能够自动的被其它ROS函数使用。该节点被分配给一个随机产生的独一无二的名称。所有的发布器、订阅器、服务终端和服务器都将在这个全局节点运行。

% 初始化ROS网络

rosinit

% 连接到外部ROS主控节点

rosinit('192.168.1.1') % 默认端口为11311

rosinit('master_host') % 默认端口为11311

rosinit('master_host', 12000) % 指定端口为12000

rosinit('http://192.168.1.1:12000') % 通过主控节点完整URI连接并创建全局节点

% 列出当前节点

rosnode list

% 列出当前话题

rostopic list

% 列出当前服务

rosservice list

% 查看指定节点的具体信息

rosnode info /node_name

% 查看指定话题的具体信息

rostopic info /topic_name

% 查看指定服务的具体信息

rosservice info /service_name

% 查看指定消息类型

rostopic type /topic_name

% 查看指定消息类型的属性

rosmsg show geometry_msgs/Twist

% 查看MATLAB中所有可用消息类型

rosmsg list

% 关闭ROS网络

rosshutdown

3. ROS消息的使用

基本消息的使用

% 查看ROS话题数据类型的具体结构

scandata = rosmessage('sensor_msgs/LaserScan')

% 定义一个与LaserScan相同类型的消息

scantype = rostype.sensor_msgs_LaserScan

scandata = rosmessage(scantype)

% 查看candata的ScanTime属性(`.`后使用Tab键补全)

scandata.ScanTime

% 以geometry_msgs/Twist消息为例，假设消息变量为posedata，访问Linear的X

xpos = posedata.Linear.X

% 快速查看消息中包含的所有数据

showdetails(posedata)

% 设置或填充消息数据

twist = rosmessage(rostype.geometry_msgs_Twist)

twist.Linear.Y = 5

% 共享数据式消息复制

twistCopyRef = twist %如果修改twistCopyRef，twist也会跟着改变，两者类似于两个指针指向同一个变量

% 独立式消息复制(复制体与原消息体不发生干涉)

twistCopyDeep = copy(twist)

% 数据保存

save('posedata.mat','posedata')

% 重新加载文件到工作空间之前需要清除'posedata'变量

clear posedata

% 加载保存的消息数据

messageData = load('posedata.mat')

% 查看消息内容

messageData.posedata

% 删除MAT文件

delete('posedata.mat')

ROS消息的进阶使用

激光传感器消息的使用

% 消息的创建，其他数据填充参考上述内容

scanMsg = rosmessage(rostype.sensor_msgs_LaserScan)

% 为了后面的演示，此处使用例程载入激光数据

exampleHelperROSLoadMessages

% 获取笛卡尔坐标下的测量点

xy = readCartesian(scan)

% 数据可视化

plot(scan,'MaximumRange',5)

图像消息的使用

% 消息的创建，其他数据填充参考上述内容

emptyimg = rosmessage(rostype.sensor_msgs_Image)

% 为了后面的演示，此处使用例程载入图像数据

exampleHelperROSLoadMessages

% 注意，'Data'存储的是原始图像数据，MATLAB不能直接处理或可视化

% 原始的图像的编码格式为'rgb8'

% 我们可使用'readImage'将其恢复成MATLAB可读的图像格式

% 默认情况下'readImage'返回的是480x640x3的uint8格式

imageFormatted = readImage(img)

% 查看图像

imshow(imageFormatted)

% 使用'rosmessage'创建一个空的压缩图像消息

emptyimgcomp = rosmessage(rostype.sensor_msgs_CompressedImage)

% 用户可以使用'readImage'函数标准的RGB格式的图像，即使图像原始编码格式是bgr8，readImage也能做相应的转换

compressedFormatted = readImage(imgcomp)

% 查看图像

imshow(compressedFormatted)

点云消息的使用

使用'rosmessage'创建一个空的标准点云消息

emptyptcloud = rosmessage(rostype.sensor_msgs_PointCloud2)

% 查看例程中的点云数据，该消息存储在'ptcloud'变量中

ptcloud

xyz = readXYZ(ptcloud)

% 上述点云数据会出现NaN无效值，这是Kinect一种伪像，安全移除NaN值的操作如下：

xyzvalid = xyz(~isnan(xyz(:,1)),:)

% 查看点云RGB数据

rgb = readRGB(ptcloud)

% 点云可视化

scatter3(ptcloud)

自定义消息的使用

将ROS消息定义转换为MATLAB时，字段名称将转换为消息对象的属性。对象属性始终以大写字母开头，并且不包含下划线。修改字段名称以适合此命名约定。下划线的第一个字母和第一个字母大写，下划线删除。例如，sensor_msgs/Image消息在ROS中具有以下字段：

header

height

width

encoding

is_bigendian

step

data

根据这一规则，转换成MATLAB结构后：

Header

Height

Width

Encoding

IsBigendian

Step

Data

消息自定义步骤：

STEP1：自定义消息结构

STEP2：调用rosgenmsg函数将消息类型转换为有效的MATLAB代码

folderpath = "C:/Users/user1/Documents/robot_custom_msg/";

rosgenmsg(folderpath)

STEP3：将生成的类文件添加到MATLAB路径当中

addpath('matlab/myfiles')

savepath matlab/myfiles/pathdef.m %将当前搜索路径保存到位于matlab/myfiles/pathdef.m

STEP4：刷新所有消息类定义

clear classes

rehash toolboxcache

STEP5：验证消息是否可用

rosmsg list

参考链接：

4. 订阅者和发布者的使用

% 查看可用的消息类型

rostype.getMessageList

订阅者的使用

% 订阅/scan话题

laser = rossubscriber('/scan')

% 数据接收(参数二：超时时间/s)

scandata = receive(laser,10)

% 数据可视化('MaximumRange'指定了曲线的最大值范围)

plot(scandata,'MaximumRange',7)

% 使用回调函数代替receive的数据订阅

robotpose = rossubscriber('/pose',@exampleHelperROSPoseCallback)

% 定义两个全局变量用来实现主工作空间与回调函数之间的数据共享

global pos

global orient % 从“/pose”主题中接收到新消息时，全局变量'pos”'和'orient'将在'exampleHelperROSPoseCallback'回调函数中赋值。

% 订阅者的终止(通过清除相关变量来实现)

clear robotpose

发布者的使用

% 创建发布者到'/chatter'话题

chatterpub = rospublisher('/chatter',rostype.std_msgs_String)

% 创建一个测试用的订阅者

chattersub = rossubscriber('/chatter', @exampleHelperROSChatterCallback)

% 创建并填充ROS消息

chattermsg = rosmessage(chatterpub)

chattermsg.Data = 'hello world'

% 发布数据到'/chatter'话题上

send(chatterpub,chattermsg)

5. 服务端和客户端的使用

% 查看可用的服务类型

rostype.getServiceList

服务端的使用

% 使用'rossvcserver'创建一个服务器

testserver = rossvcserver('/test', rostype.std_srvs_Empty, @exampleHelperROSEmptyCallback)

% 查看'/test'服务的信息

rosservice info /test

客户端的使用

% 使用'rossvcclient'创建一个客户端

testclient = rossvcclient('/test')

% 创建服务请求函数

testreq = rosmessage(testclient)

% 请求的参数设置(此处假设MessageType中有两个参数A、B)

testreq.A = 2

testreq.B = 1

% 获取服务器响应

testresp = call(testclient,testreq,'Timeout',3)

6. ROS参数服务器的使用

% 启动一个新的参数服务器

ptree = rosparam

% 检查是否存在指定名称的参数(如果没有返回0)

has(ptree,'ROBOT_IP')

% 添加新参数至参数服务器

set(ptree,'ROBOT_IP','192.168.1.1');

set(ptree, '/myrobot/ROBOT_IP','192.168.1.100');

set(ptree,'MAX_SPEED',1.5);

set(ptree, '/myrobot/ROBOT_NAME','TURTLE');

set(ptree, '/myrobot/MAX_SPEED',1.5);

set(ptree, '/newrobot/ROBOT_NAME','NEW_TURTLE');

% 获取参数值

robotIP = get(ptree, '/myrobot/ROBOT_IP')

% 获取所有储存在参数服务器上的参数列表

plist = ptree.AvailableParameters

% 修改已有参数(对参数进行修改的数值可以与之前分配的数据类型不同)

set(ptree, 'MAX_SPEED', 1.0);

% 删除参数

del(ptree, 'ROBOT_IP');

% 测试是否删除成功

has(ptree, 'ROBOT_IP')

% 搜索包含指定名称空间的参数

results = search(ptree, 'myrobot')

7. ROS – tf树的访问及使用

tf数据的访问

% 查看tf信息

tf

% 查看tf的Transforms结构

tf.Transforms

% 查看tf.Transforms中Transforms对象的属性

tf.Transforms.Transform

% 返回Transform字段的值

cellTransforms = {tf.Transforms.Transform}

% 通过索引方式访问指定对象实体

tf.Transforms(5)

tf.Transforms(5).Transform.Translation

tf树的使用

% 加载例程数据

exampleHelperROSStartTfPublisher

% 使用'rostf'创建新的tf树对象

tftree = rostf

% 使用'AvailableFrames'查看

tftree.AvailableFrames

% 获取变换

mountToCamera = getTransform(tftree, 'mounting_point', 'camera_center');

% 获取变换中的平移信息

mountToCameraTranslation = mountToCamera.Transform.Translation

% 获取变换中的旋转信息并将其转为欧拉角

quat = mountToCamera.Transform.Rotation

mountToCameraRotationAngles = rad2deg(quat2eul([quat.W quat.X quat.Y quat.Z]))

% 等待有效的变换(将会堵塞，知道变换可获得)

waitForTransform(tftree, 'robot_base', 'camera_center');

% 将相机中心坐标系下的点转换到robot_base坐标下

% 数据填充

pt = rosmessage('geometry_msgs/PointStamped');

pt.Header.FrameId = 'camera_center';

pt.Point.X = 3;

pt.Point.Y = 1.5;

pt.Point.Z = 0.2;

% 变换

tfpt = transform(tftree, 'robot_base', pt)

% 获取变换结果

tfpt.Point

% 发布变换

% 数据填充

tfStampedMsg = rosmessage('geometry_msgs/TransformStamped');

tfStampedMsg.ChildFrameId = 'wheel';

tfStampedMsg.Header.FrameId = 'robot_base';

tfStampedMsg.Transform.Translation.X = 0;

tfStampedMsg.Transform.Translation.Y = -0.2;

tfStampedMsg.Transform.Translation.Z = -0.3;

quatrot = axang2quat([0 1 0 deg2rad(30)])

tfStampedMsg.Transform.Rotation.W = quatrot(1);

tfStampedMsg.Transform.Rotation.X = quatrot(2);

tfStampedMsg.Transform.Rotation.Y = quatrot(3);

tfStampedMsg.Transform.Rotation.Z = quatrot(4);

tfStampedMsg.Header.Stamp = rostime('now');

% 发送上述设置的变换

sendTransform(tftree, tfStampedMsg)

% 查看变换列表，看是否发布成功

tftree.AvailableFrames

8. ROS在Simulink中的使用

首先要启动ROS：rosinit

用到的Simulink模块：

Simulink → Signal Routing → Bus Assignment

Simulink → Signal Routing

ROS Toolbox → ROS → Blank Message

ROS Toolbox → ROS → Publish

Simulink → Sources → Sine Wave

Simulink → Signal Routing → Bus Selector

Simulink → Sinks → Terminator

Simulink → Sinks → XY Graph

Simulink → Sinks → Display

Simulink → Ports & Subsystems → Enabled

a. 基本订阅者发布者的使用

发布者模块设置及测试

运行以后发现：

订阅者模块设置及测试

Subscribe模块中的IsNew属性输出在时间步进期间消息是否已被接收

增加一个使能子系统

配置并运行Simulink模型

注意：仿真并不是以实际或真实时间工作，仅仅是仿真进程时间而已！

参考链接：

b. Simulink中ROS消息的使用

具体通过Blank Message模块来实现，参考案例robotROSMessageUsageExample。

c. 反馈控制

具体案例参考如下案例

robotROSFeedbackControlExample

注意：如果画出IsNew的信号将会发现，输入消息并不是周期的，该现象是由于仿真进程时间与真实时间不同造成的，仿真执行循环是由模型复杂度和计算机计算速度决定的，具体参阅Simulation Loop Phase。

如果使能的子系统没有被应用，那么模型将一直重复处理相同的消息(最新接收的)，从而导致控制消息的浪费处理和多余发布，使能子系统可以帮助确认模型仅仅处理真正的新消息。

d. 从Simulink中创建单独的ROS节点

具体参考如下链接。

参考链接：

9. ROSbag的使用

% 使用'rosbag'载入bag文件，路径可使用绝对或相对方式

bag = rosbag(filepath)

% 获取'AvailableTopics'属性，查看bag文件中有关话题和消息类型等信息

bag.AvailableTopics

% 恢复消息前，用户须基于时间戳、话题名称或消息类型选择一系列消息

% 查看当前选择的所有消息(第一列为时间戳)：

bag.MessageList

% 使用'select'筛选消息

bagselect1 = select(bag, 'Topic', '/odom')

% 筛选前30s发布的'/odom'消息列表

start = bag.StartTime

bagselect2 = select(bag, 'Time', [start start + 30], 'Topic', '/odom')

% 筛选指定时间段的消息列表

bagselect3 = select(bagselect2, 'Time', [205 206])

% 多项筛选规则的使用

selectOptions = {'Time', [start, start+1; start+5, start+6], 'MessageType', {'sensor_msgs/LaserScan', 'nav_msgs/Odometry'}};

bagselect4 = select(bag, selectOptions{:})

% 读取选择的消息数据

msgs = readMessages(bagselect3);

% 查看消息规模或长度

size(msgs)

% 按时间序列提取消息数据

ts = timeseries(bagselect3, 'Pose.Pose.Position.X', 'Twist.Twist.Angular.Z')

% 访问消息序列中的数据('Data'属性)

ts.Data

% 消息数据可视化

plot(ts, 'LineWidth', 3)

10. rosrate的使用

% 创建一个Rate对象，使您能够以固定的频率执行循环DesiredRate。时间源链接到全局ROS节点的时间源，这需要您使用将MATLAB连接到ROS网络rosinit

rate = rosrate(desiredRate)

% 创建一个Rate对象，该对象基于链接到指定ROS节点的时间源以固定的速率运行循环 node

rate = ros.Rate(node,desiredRate)

案例1：

rosinit

% 1 Hz

r = rosrate(1);

reset(r)

for i = 1:10

time = r.TotalElapsedTime;

fprintf('Iteration: %d - Time Elapsed: %f\n',i,time)

waitfor(r);

end

rosshutdown

案例2：

rosinit

node = ros.Node('/testTime');

r = ros.Rate(node,20);

reset(r)

for i = 1:30

% User code goes here.

waitfor(r);

end

rosshutdown

在Simulink中的使用参考工具箱自带案例robotROSFeedbackControlExample