基于ROS机器人项目开发从零开始 (ros topic, service, msg, srv, launch, oop等基础概念)

上一节已经给大家介绍了ROS这个多功能的操作系统的概念，和在机器人开发中可以基于我们的帮助。那么这一篇我们继续来讲ROS当中最重要的几个概念 - topic service msg srv 和 OOP（基于对象编程）。正是因为ROS给我们封装了和linux内核和进程之间的通讯方式，所以我们在不同的功能之间开发，需要遵从ROS的开发守则。

上一节除了安装ros-noetic-full-desktop之外，有些老程序猿应该想知道有没有特定的IDE。答案也是肯定的。一个好的IDE可以让项目事半功倍。官网也介绍了许多 (IDEs - ROS Wiki) 我在这里就不一一赘述了，值得一提的是：目前RoboWare，也是我认为最好的一款，和Ubuntu20.04 LTS是不兼容的，安装完打开就闪退了。所以建议大家可以安装VS extension ROS.

1. ROS node 和 package

ROS核心开发理念之一就是它的低耦合性，我们可以把机器人系统拆分成不同的功能模块，比如下面：

- 机器人视觉

-- 相机图像获取

-- 图像采样和处理

- 机器人运动规划

-- 路径规划控制（插值精度调控，自动避障，奇异点规避...）

- 机器人控制

-- 机器人状态

-- 机器人PID控制

-- 编码器数据采集

-- 伺服电机控制

如果都编辑在一个项目（文件）中，既难以分工合作，运行起来其中的小错误又容易导致系统崩溃。所以ROS的解决方案是：（图中方框）把功能模块安装节点的概念来进行开发，每个节点之间可以通过封装的TCP/IP来进行通讯。

创建节点的方式很简单：

$ cd ~/catkin_ws/src/
$ catkin_create_pkg <name package> # insert the name of your package

创建完毕后：

$ mkdir -p script
$ cd script/

即可在script路径下创建自己的节点，后面我将用python，创建下面这个例子。（也可以使用CPP, 但是py是解释性语言，如果使用CPP的话，需要编译，所以需要在package.xml和CMakelist中进行改写，然后重新catkin_make)

2. ROS topic这个例子使用topic （/number 从这个写法可以看出，使用网络通讯架构的感觉），来进行nodes之间的通讯，两个node分别为numberpublisher1.py 和 numbercounter.py

#!/usr/bin/env python

import rospy
from std_msgs.msg import Int64

if __name__ == "__main__":
    rospy.init_node("number_publisher1")

    pub = rospy.Publisher("/number",Int64, queue_size=10)

    #publish_freq = rospy.get_param("/number_publish_frequency")
    #rate = rospy.Rate(publish_freq)
    rate = rospy.Rate(11)

    while not rospy.is_shutdown():
        msg = Int64()
        msg.data = 2
        pub.publish(msg)
        rate.sleep()

#!/usr/bin/env python

import rospy
from std_msgs.msg import Int64
from std_srvs.srv import SetBool


counter = 0
pub = None


def callback_function(msg):
    global counter
    counter += msg.data
    new_msg = Int64()
    new_msg.data = counter
    pub.publish(new_msg)

def callback_reset_counter(req):
    if req.data:
        global counter
        counter = 0
        return True, "Counter has been successfully reset"
    return False, "Counter has not been reset"


if __name__ == "__main__":
    rospy.init_node("number_counter")

    sub = rospy.Subscriber("/number", Int64, callback_function)

    pub = rospy.Publisher("/number_counter",Int64, queue_size=10)

    reset_service = rospy.Service("/reset_counter", SetBool, callback_reset_counter)

    rospy.spin()

这里引入publisher 和 subscriber的概念：publisher是信息的发布方，而subscriber是信息的接收方，P将信息通过topic的形式发布出去，S通过订阅topic的形式接收到信息，但是这里的信息传输是异步的（Async)。意思是P发出信息后，并不需要和S建立连接，也不需要得到S的反馈是否收到信息。比如上面的例子，P不断发出信息（信息类型Int64）2， S收到信息之后把数字做累加。同时S有作为其它节点（rostopic）的publisher，将累加的数据发布出去