ROS開發全方位探究

ROS，全稱為Robot Operating System，是一個通用機器人操作系統，可用於編寫機器人軟件。它提供了硬件抽象、底層設施和常用功能的通用庫，以便軟件開發人員可以更輕鬆地編寫機器人應用。本篇文章將從以下幾個方面對ROS開發進行探究。

一、ROS的基本概念

ROS借鑒了操作系統的概念，提供一整套機器人軟件開發所需的文件系統、硬件抽象層、通信規則、軟件庫、工具等方面的支持。每個工程被稱為“包”，多個包可以構成一個工作空間。ROS節點是一個可執行文件，運行在ROS系統之上。節點可以通過ROS的相互通信機制實現消息（Message）的傳遞。另外，ROS還提供了許多常用的ROS包，包括機器人模型、控制器、感知、SLAM、導航等等。

二、ROS的安裝和配置

在Linux下安裝ROS非常簡單，只需執行官方提供的安裝腳本即可。ROS還提供了可視化的安裝嚮導，可以指導用戶選擇所需的系統版本和軟件包。

安裝配置完成後，還需要設置ROS的環境變量。ROS依靠環境變量來確定開發工作區和當前使用的ROS包。這些變量在bash shell中設置，可以在~/.bashrc或者~/.bash_profile文件中添加。

# 在~/bashrc末尾加入以下代碼
source /opt/ros/{{distro}}/setup.bash
source ~/catkin_ws/devel/setup.bash

其中{{distro}}是ROS的發行版名稱，比如melodic、kinetic等。

三、ROS的常用工具

ROS提供了各種各樣的工具，包括命令行工具、GUI工具、仿真工具等等。下面介紹一些常用的工具。

1. RViz

RViz是ROS中的可視化工具，可以展示機器人模型、感知數據和運動路徑等。它提供了3D場景編輯器、機器人模型導入、ROS話題顯示等功能。

# 啟動RViz
rosrun rviz rviz

2. rqt_gui

rqt_gui是ROS中的基於Qt的GUI工具集，提供了多種通用插件，如進程監視、話題/服務/參數的可視化編程、消息記錄等。

# 啟動rqt_gui
rosrun rqt_gui rqt_gui

3. rosdep

rosdep是ROS的依賴管理工具，可以自動安裝ROS需要的其他軟件包。

# 更新依賴
sudo apt-get update
sudo rosdep update

# 安裝依賴
rosdep install --from-paths src --ignore-src -r -y

四、ROS的代碼示例

下面提供一個簡單的ROS代碼示例，展示如何創建ROS節點，並通過話題完成兩個節點之間的消息傳遞。

1. 創建ROS節點

ROS節點是按照約定命名的可執行文件，可以使用ROS提供的catkin工具創建。

# 創建一個名為my_package的ROS包
catkin_create_pkg my_package std_msgs rospy roscpp

# 在my_package下創建節點
cd my_package
mkdir scripts
touch scripts/my_node.py
chmod +x scripts/my_node.py

其中，std_msgs、rospy和roscpp是ROS提供的常用軟件包。

2. 編寫ROS節點

#!/usr/bin/env python

import rospy
from std_msgs.msg import String

def my_node():
    pub = rospy.Publisher('my_topic', String, queue_size=10)
    rospy.init_node('my_node', anonymous=True)
    rate = rospy.Rate(10) # 10hz
    while not rospy.is_shutdown():
        hello_str = "hello world %s" % rospy.get_time()
        rospy.loginfo(hello_str)
        pub.publish(hello_str)
        rate.sleep()

if __name__ == '__main__':
    try:
        my_node()
    except rospy.ROSInterruptException:
        pass

上述代碼中，我們定義了一個名為my_node的ROS節點，它會以10Hz的頻率向名為my_topic的話題發布消息。

3. 運行ROS節點

要運行ROS節點，需要先啟動roscore。

# 啟動roscore
roscore

在另一個終端中，運行my_node節點。

# 運行my_node節點
rosrun my_package my_node.py

可以使用rostopic工具查看話題的消息。

# 按照時間順序顯示my_topic話題的消息
rostopic echo my_topic

五、總結

本文對ROS進行了基本概念、安裝配置、常用工具和代碼示例的介紹，希望對初學者有所幫助。使用ROS可以大大簡化機器人軟件開發的複雜度，提高開發效率。