《鴻蒙機器人編程》課件-6-編寫及編譯ROS程序

編寫及編譯ROS程序本課程主要內(nèi)容用C++編寫ROSnodeC++代碼編寫CMakeLists.txt的編寫規(guī)則用python編寫ROSnode?NXROBO20222主要掌握ROSnode的編程范式，理解ROS通信機制在程序中的體現(xiàn)。創(chuàng)建工程空間創(chuàng)建自己的ROS包在包目錄下創(chuàng)建***.cpp或.py源代碼文件若*.cpp，則修改CMakeLists.txt文件編譯ROS編程的一般流程3?NXROBO2022√本課講解√本課講解√本課講解編程語言的選擇C++作為編譯類語言，運行時執(zhí)行效率高，適合計算量較大的算法類程序；

C++為ROS原生語言，基于roscpp，功能全面完整Python作為解釋性語言，執(zhí)行效率低，一般不適合大型算法類程序，但其編碼效率較高，修改程序方便，可快速成形和測試?；趓ospy，ROS有些功能沒有python接口4?NXROBO2022編輯工具選擇至于代碼編輯器或IDE的選擇，建議使用Vim或Eclipse。Vim可以讓你專注編碼，而且有很多插件，實現(xiàn)代碼補全、語法高亮、文件管理等功能，但如果沒用過，上手需要一段時間，命令掌握不熟反而效率更低。Eclipse交互界面更為友好，有支持C++版本，使用PyDev插件實現(xiàn)支持Python。5?NXROBO2022用C++編寫ROSnode實例代碼ros_tutorials：/ros/ros_tutorialsroscppapi文檔：/kinetic/api/roscpp/html/鼓勵大家多自己查看文檔，多編程實踐。ROSnode的基本結構7?NXROBO2022#include<ros.h>voidcallback_func(msg){…...}intmain(){

//1.初始化，向rosmaster注冊登記

ros::init(...);

//2.啟動節(jié)點，并定義發(fā)布器、訂閱器、服務器、客戶端、…

ros::NodeHandlenh; ros::Publisherpub=nh.advertise<message_type>(topic_name,buff_len); ros::Subscribersub=nh.subscribe(topic_name,buff_len,callback_func);

//3.循環(huán)發(fā)布消息或響應訂閱到的消息

ros::Rateloop_rate(10); while(ros::ok()){

//3.1構建所需要發(fā)布的消息

...

//3.2發(fā)布消息

pub.publish(....);

//3.3調(diào)控節(jié)奏

ros::spinOnce(); loop_rate.sleep();

} return0;}ROS核心函數(shù)和類ros::init()初始化函數(shù)ros::spin()事件循環(huán)函數(shù)ros::spinOnce()單次事件函數(shù)ros::start()啟動函數(shù)ros::shutdown()關閉函數(shù)ros::NodeHandle節(jié)點句柄類ros::Publisher發(fā)布器類ros::Subscriber訂閱器類ros::Rateloop_rate循環(huán)速率類8?NXROBO2022node初始化——ros::init()通過調(diào)用ros::init()函數(shù)來初始化node，目的是向節(jié)點管理器注冊node信息。此函數(shù)向ROS系統(tǒng)傳遞命令行參數(shù)、定義node名字及其它參數(shù)。

在調(diào)用roscpp其它函數(shù)前必須先調(diào)用ros::init()，其函數(shù)原型為：argc和argv：命令行參數(shù)信息，與普通C/C++語言main函數(shù)的命令行參數(shù)一樣，但ROS參數(shù)映像語法為name:=new_name，如：具體請查閱RemappingArguments/RemappingArguments9$rosrunbeginner_tutorialstestfoo:=/a/foo?NXROBO2022name：定義node的名字，不能帶命名空間，可通過映射參數(shù)覆蓋。在ROS系統(tǒng)中要保證Node名字唯一，如果運行同名的node，先運行的node會自動關閉。如果想一個node能同時多實例運行，可以通過參數(shù)映射同樣能實現(xiàn)，也可通過設置option為init_options::AnonymousName實現(xiàn)。10?NXROBO2022node初始化——ros::init()options：這個參數(shù)是可選項，是一個位結構體，所以可指定多個選項值，可設置的值有：ros::init_options::NoSigintHandler

指定此參數(shù)將不創(chuàng)建SIGINT信號處理器。如果設置了此參數(shù)，為了使node能被正常關閉，需要自行創(chuàng)建SIGINT信號的處理器。SIGINT信號是UNIX系統(tǒng)用來結束進程的，一般由CTRL+C等方式觸發(fā)。ros::init_options::AnonymousName

指定此參數(shù)將在node名字后追加一個隨機數(shù)，這樣同一個node被多次運行時，每個實例名是唯一的。ros::init_options::NoRosou

指定此參數(shù)將不把ros控制臺的輸出信息廣播到/rosout這個topic上。11?NXROBO2022node初始化——ros::init()ros::init()除了上面介紹的初始化函數(shù)，還有兩種ros::init()的重載函數(shù)：這兩個重載函數(shù)將argc和argv替換成直接指定映像參數(shù)。12?NXROBO2022node啟動——ros::NodeHandlenh通過創(chuàng)建ros::NodeHandle實例來啟動node。這是最通常的做法，此步驟也可通過其他方式完成。第一個ros::NodeHandle實例創(chuàng)建后就會調(diào)用ros::start()，最后一個ros::NodeHandle實例銷毀后就會調(diào)用ros::shutdown()。函數(shù)ros::start()才真正開始執(zhí)行node的內(nèi)部功能，包括運轉線程、開始網(wǎng)絡輪詢和xmlrpc循環(huán)、連接內(nèi)部訂閱、運行service服務端等。函數(shù)ros::shutdown()是關閉node的，主要過程有斷開一切網(wǎng)絡連接（用于TOPIC和SERVICE）、從節(jié)點管理器（master）注銷。ros::NodeHandle負責實例化與這個node有關的publisher/subscriber/server/parameterserver對象。13?NXROBO2022創(chuàng)建發(fā)布器發(fā)布器由ros::NodeHandle的實例化對象創(chuàng)建，將所發(fā)布主題的名稱和對應的消息類型告知節(jié)點管理器發(fā)布器創(chuàng)建方式：topic_name：話題名稱，指定往哪個話題上發(fā)消息message_type：消息類型，指定該話題(topic)上傳輸什么類型的消息。buff_len：發(fā)送緩沖區(qū)大小14?NXROBO2022ros::Publisherpub=nh.advertise<message_type>(topic_name,buff_len);創(chuàng)建訂閱器訂閱器由ros::NodeHandle的實例化對象創(chuàng)建，將所訂閱主題的名稱及對應的消息類型告知節(jié)點管理器訂閱器創(chuàng)建方式：topic_name：話題名稱，指定從哪個話題上獲取消息buff_len：接收緩沖區(qū)大小callback_func：回調(diào)函數(shù)，即話題(topic)上有數(shù)據(jù)的時候，你要怎么處理這些數(shù)據(jù)。需要程序員明定義此函數(shù)。15?NXROBO2022ros::Subscribersub=nh.subscribe(topic_name,buff_len,callback_func);創(chuàng)建服務器服務器由ros::NodeHandle的實例化對象創(chuàng)建，將服務名稱和服務響應函數(shù)告知節(jié)點管理器，對外廣播所能提供的服務服務器創(chuàng)建方式：service_name：服務名稱，指定能提供哪個服務service_func：響應服務請求的處理函數(shù)，即有客戶端請求服務時，你要怎么處理這些請求。需要程序員明定義此函數(shù)。16?NXROBO2022ros::ServiceServerserver=nh.advertiseService(service_name,service_func);創(chuàng)建服務客戶端服務客戶端由ros::NodeHandle的實例化對象創(chuàng)建，將請求服務的名稱和服務類型告知節(jié)點管理器客戶端創(chuàng)建方式：service_name：服務名稱，指定在哪個服務上請求服務service_type：服務類型，指定出請求和響應的類型。17?NXROBO2022ros::ServiceClientclient=nh.ServiceClient<service_type>(service_name);主循環(huán)循環(huán)條件ros::ok():當接受到ctrl+c信號或者ros::shutdown()調(diào)用時，為false，終止運行節(jié)點。主循環(huán)中，使用ros::rate實現(xiàn)將循環(huán)一次的時間控制在一個我們設置的一個周期內(nèi)。18?NXROBO2022或示例：發(fā)布節(jié)點19?NXROBO2022示例：訂閱節(jié)點20?NXROBO202221?NXROBO2022示例：服務器節(jié)點22?NXROBO2022示例：客戶端節(jié)點ROSnode總結從api使用角度來看，通信方式的不同體現(xiàn)在程控流上。topic無同步service有同步publish非阻塞call阻塞。何時使用topic或service？實時更新的數(shù)據(jù)使用topic傳輸。特殊邏輯的小數(shù)據(jù)使用service。topic需要更多精力去處理異步數(shù)據(jù)獲得與主控制流的邏輯關系。實現(xiàn)難度上要更高。23?NXROBO2022修改CMakelist.txt文件Cmakelist.txt作用CMakeLists.txt文件CMake構建系統(tǒng)的配置文件用于描述代碼如何編譯構建以及安裝到何位置等參數(shù)CMake根據(jù)此檔生成makefiles文件，任何兼容CMake的軟件包至少包含一個CMakeLists.txt文件相比普通的CMake項目，catkin項目中的CMakeLists.txt只是額外多加了幾條約束。25?NXROBO2022Cmakelist.txt樣例26?NXROBO2022Cmakelist.txt規(guī)則CMake最低版本要求

(cmake_minimum_required)規(guī)定CMake的最低版本，catkin構建必須以此行開頭，使用cmake_minimum_required宏命令。功能包名(project())通過CMake的project()宏命令定義功能包名稱，cmake腳本中通過${PROJECT_NAME}訪問。創(chuàng)建環(huán)境變量${PROJECT_NAME}_BINARY_DIR和${PROJECT_NAME}_SOURCE_DIR。cmake_minimum_required(VERSION2.8.3)project(beginner_tutorials)27?NXROBO2022Cmakelist.txt規(guī)則構建時需要的其它CMake/Catkin軟件包

構建此工程時需要的其它CMake/Catkin軟件包，而且是構建依賴而非運行依賴，使用find_package()宏命令格式：catkin是必須要定義：find_package(<name>[[REQUIRED|COMPONENTS][componets...]])find_package(catkinREQUIRED)28?NXROBO2022Cmakelist.txt規(guī)則在CMake會話，工程依賴的其它包會自動作為catkin的組件（components）加入，如果將其加入到find_package()中則過程則簡單得多：find_package()宏命令會創(chuàng)建<NAME>_FOUND、<NAME>_INCLUDE_DIRS或<NAME>_INCLUDES、<NAME>_LIBRARIES或<NAME>_LIBS、<NAME>_DEFINITIONS這幾個環(huán)境變量，以供CMake腳本調(diào)用，具體情況可在構建成功后查看工作空間build目錄下的CMakecache.txt文件29find_package(catkinREQUIREDCOMPONENTSstd_msgsrospyroscpp)?NXROBO2022Cmakelist.txt規(guī)則處理Message/Service/Action文件

Messages(.msg)、services(.srv)和actions(.action)三個文件需要進行預處理以便于功能包構建使用，生成所支持的編程語言需要并識別的文件：其后加上宏：add_message_files()add_service_files()add_action_files()generate_messages()30?NXROBO2022處理Message/Service/Action文件還需在find_package()宏中添加功能包信息參數(shù)，如：而且在package.xml文件中必須添加message_generation、actionlib和actionlib_msgs為構建依賴；message_runtime、actionlib和actionlib_msgs為運行依賴，如果此功能包依賴的其它功能包中已包含此依賴則不必再次添加。提示：actionlib*在需處理.action檔情況下添加find_package(catkinREQUIREDCOMPONENTSmessage_generation)31?NXROBO2022處理Message/Service/Action文件比較完整的示例，（假設這些messages依賴std_msgs和sensor_msgs），如：32?NXROBO2022Cmakelist.txt規(guī)則定義功能包構建的輸出信息

為構建系統(tǒng)提供catkin特有的信息以供系統(tǒng)生成pkg-config和CMake文件，通過catkin構建系統(tǒng)的catkin_package()宏實現(xiàn)。其有5個可選參數(shù)：33INCLUDE_DIRS

此功能包輸出的包含路徑（如用于：cflags）LIBRARIES

功能包輸出的庫CATKIN_DEPENDS

依賴的其它catkin工程DEPENDS

依賴的非catkin的CMake工程CFG_EXTRAS

其它配置項?NXROBO2022Cmakelist.txt規(guī)則定義構建目標

構建目標包括可執(zhí)行程序和庫文件，主要定義內(nèi)容包括：34頭文件路徑庫路徑目標構建規(guī)則?NXROBO2022定義構建目標包含路徑

包含路徑通過include_directories()和link_directories()兩個宏實現(xiàn)，分別表示要包含的頭文件路徑和庫路徑。頭文件路徑可以手動指定路徑也可以使用由find_package()宏生成的形如*_INCLUDE_DIRS這樣的CMake變量。庫路徑，無特殊情況，一般都由find_package()自動生成添加。35?NXROBO2022定義構建目標目標規(guī)則

目標規(guī)則主要指定構建的目標名稱及其源文件和鏈接需要的庫，由add_executable()和add_library()兩個宏分別實現(xiàn)可執(zhí)行程序和庫目標定義。語法如下：使用target_link_libraries()宏來定義可執(zhí)行程序鏈接需要的庫：36?NXROBO2022Cmakelist.txt規(guī)則單元測試

通過catkin的宏catkin_add_gtest()實現(xiàn)：37?NXROBO2022Cmakelist.txt規(guī)則安裝規(guī)則

構建完成后，所有構建目標將會存放于catkin工作空間的devel目錄，如果想用makeinstall執(zhí)行安裝操作，就必須定義安裝規(guī)則。安裝對象一般有可執(zhí)行程序或腳本、庫、頭文件、roslaunch文件及其它資源類文件。規(guī)則定義通過install()宏實現(xiàn)，有四種參數(shù)：38TARGETS需安裝的對象ARCHIVEDESTINATION靜態(tài)庫和DLL的清單文件LIBRARYDESTINATION非DLL共享庫和模塊RUNTIMEDESTINATION可執(zhí)行對象和DLL形式的共享庫?NXROBO2022安裝規(guī)則形式如下：

Python綁定庫必須安裝到特殊的活頁夾以便于其它Python代碼import：39?NXROBO2022安裝規(guī)則頭文件安裝規(guī)則示例如下：40?NXROBO2022安裝規(guī)則roslaunch文件等資源文件的安裝規(guī)則示例如下：對于Python執(zhí)行代碼，catkin提供catkin_install_python()宏來解決Python代碼的安裝規(guī)則：對于Python模塊，通過添加*catkin_python_setup()*宏安裝。此宏調(diào)用setup.py，實現(xiàn)Python模塊的安裝。

其它細節(jié)問題請查閱catkin文檔和CMake文檔。41?NXROBO2022編譯構建功能包編寫好package.xml、CMakelist.txt及功能代碼就可以進行編譯構建了。編譯構建工作在catkin工作空間頂層目錄下進行：編譯構建部分指定的包：需要安裝的話，就執(zhí)行：$cd~/catkin_ws

$catkin_make$catkin_make-DCATKIN_WHITELIST_PACKAGES=”package1;package2”$catkin_makeinstall42?NXROBO2022用Python編寫ROSnode實例代碼ros_tutorials：/ros/ros_tutorialsroscppapi文檔：http:///kinetic/api/rospy/html/鼓勵大家多自己查看文檔，多編程實踐。創(chuàng)建工程空間創(chuàng)建自己的ROS包在包目錄下創(chuàng)建***.py源代碼文件無需編譯ROSPython編程基本步驟√本課講解44√本課講解?NXROBO2022ROSnode的基本結構（python）45?NXROBO2022importrospydefcallback(msg):

…….if__name__=='__main__':

//1.初始化，向rosmaster注冊登記

rospy.init_node(...)

//2.啟動節(jié)點，并定義發(fā)布器、訂閱器、服務器、客戶端、… pub=rospy.Publisher(topic_name,message_type,buff_len)

sub=rospy.Subscriber(topic_name,buff_len,callback_func)

server=rospy.Service(service_name,service_type,service_func)client=rospy.ServiceProxy(service_name,service_type)

//3.循環(huán)發(fā)布消息或響應訂閱到的消息

rospy.spin()

loop_rate=rospy.Rate(10) whilenotrospy.is_shutdown():

//3.1構建所需要發(fā)布的消息

...

//3.2發(fā)布消息

pub.publish(....);

//3.3調(diào)控節(jié)奏 loop_rate.sleep();為Python提供的客戶庫為rospy，rospynode初始化是其進程的初始化同樣為了向節(jié)點管理器注冊node，rospy類的node也必須先初始化包括指定node的名字、ROS的輸出信息級別、是否創(chuàng)建SIGINT信號處理器，由**init_node()**函數(shù)完成，其原型如下：46?NXROBO2022node初始化——rospy.init_node()rospy.init_node()name(str):Node的名字，在ROS系統(tǒng)中唯一，而且不加命名空間。argv([str]):傳遞進來的命令行參數(shù)，包括映射參數(shù)，默認為sys.argv。如果指定argv，則必須在創(chuàng)建任何rospy數(shù)據(jù)結構之前調(diào)用init_node()。anonymous(bool):如果是True，則在指定的node名字后加隨機數(shù)，保證多實例運行時最終node名唯一。但這樣的node不能重映射名字。log_level(int):定義發(fā)送message給/rosout及記錄日志文件的日志級別，可用值有：rospy.DEBUG,rospy.INFO,rospy.ERROR,rospy.WARN,rospy.FATAL，一般設置成INFO。47?NXROBO2022rospy.init_node()disable_signals(bool):如果設置成True，則rospy不會注冊自帶的信號handler，需要手動調(diào)用rospy.signal_shutdown(reason)以保證node的正常關閉。一般常用于在不主線程中調(diào)用init_node或在處理信號時需添加特別動作的情況。xmlrpc_port(int):如果指定此參數(shù)，將使用此值作為埠號進行XMLRPC的通信。tcpros_p