1 ROS2 项目结构
1.1 Colcon 工作区
Colocn 工作区是创建、修改和编译软件包的目录。Colcon 的工作区可以直观地描述为一个仓库,其中包含各种 ROS 项目,便于系统的组织、管理和调用。
- Create workspace:
mkdir -p ~/colcon_ws/src # 创建文件夹
cd ~/colcon_ws/ # 输入文件夹
colcon build # 在工作区中构建代码。
注意: colcon 支持选项 -symlink-install
。这允许通过更改源空间中的文件(如 Python 文件或其他未编译的资源)来更改已安装的文件,从而加快迭代速度。避免每次修改 Python 脚本时都需要重新编译。
colcon build --symlink-install
ROS 工作区是一个具有特定结构的目录。通常会有一个 src
子目录。在该子目录中,存放着 ROS 软件包的源代码。通常情况下,该目录一开始是空的。
colcon 会进行源代码外编译。默认情况下,它将创建以下目录作为 src
目录的同级目录:
src/: 用于 ROS2 的 colcon 软件包(源代码包)
build/: 存放中间文件的位置。例如,为每个软件包创建一个子文件夹,在其中调用 CMake。
install/: 每个软件包的安装位置。默认情况下,每个软件包都会安装到一个单独的子目录中。
log/: 包含每个 colcon 调用的各种日志信息。
ROS2 工作区的目录结构如下:
WorkSpace --- 定制的工作空间
|--- build: 存放中间文件的目录。在此目录下,将为每个功能包创建一个单独的子目录。
|--- install: 安装目录中的每个功能包都将创建一个单独的子目录。
|--- log: 日志目录,用于存储日志文件。
|--- src: 用于存储功能包源代码的目录。
|-- C++ 功能包
|-- package.xml: 软件包信息,如:软件包名称、版本、作者、依赖关系。
|-- CMakeLists.txt: 配置编译规则,如源文件、依赖关系和目标文件。
|-- src: C++ 源文件目录。
|-- include: 头文件目录。
|-- msg: 消息接口文件目录。
|-- srv: 服务接口文件目录。
|-- action: 行动界面文件目录。
|-- Python 功能包
|-- package.xml: 软件包信息,如:软件包名称、版本、作者、依赖关系。
|-- setup.py: 类似于 C++ 功能包的 CMakeLists.txt。
|-- setup.cfg: 功能包基本配置文件。
|-- resource: 资源目录。
|-- test: 存储与测试相关的文件。
|-- 与函数包同名的目录:Python 源文件目录。
1.2 ROS2 包
软件包不仅是 Linux 上的软件包,也是 colcon 编译的基本单元。我们使用 "colcon build "编译的对象就是每个 ROS2 软件包。
创建自己的包:
- 使用 Python 创建软件包的命令语法是
ros2 pkg create --build-type ament_python <package_name>
- 例如:
ros2 pkg create --build-type ament_python --node-name my_node my_package
2 基本工具命令
本章将介绍 ROS2 的常用命令工具。
2.1 Topics
ROS 2 将复杂的系统分解成许多模块化节点。主题是 ROS 图形的一个重要元素,是节点交换信息的总线。 主题是节点之间移动数据的主要方式之一,因此也是系统不同部分之间移动数据的主要方式之一。
具体参考: 官方教程
- 主题帮助
ros2 topics -h
- 启动海龟模拟和键盘控制
ros2 run turtlesim turtlesim_node
ros2 run turtlesim turtle_teleop_key
- 节点关系图
rqt_graph
- 了解与主题相关的命令
ros2 topics -h
- 主题列表
ros2 topic list
ros2 topic list -t # Display the corresponding message type
- 查看主题内容
ros2 topic echo <topic_name>
ros2 topic echo /turtle1/cmd_vel
- 显示与主题相关的信息,键入
ros2 topic info <topic_name>
# 输出 /turtle1/cmd_vel 主题相关信息
ros2 topic info /turtle1/cmd_vel
- 显示接口相关信息
ros2 interface show <msg_type>
# 输出几何_msgs/msg/Twist 接口相关信息
ros2 interface show geometry_msgs/msg/Twist
- 发布命令
ros2 topic pub <topic_name> <msg_type> '<args>'
# 发出速度命令
ros2 topic pub --once /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/msg/Twist "{linear: {x: 2.0, y: 0.0, z: 0.0}, angular: {x: 0.0, y: 0.0, z: 1.8}}"
# 以一定频率发出速度指令
ros2 topic pub --rate 1 /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/msg/Twist "{linear: {x: 2.0, y: 0.0, z: 0.0}, angular: {x: 0.0, y: 0.0, z: 1.8}}"
- 查看发布主题的频率
ros2 topic hz <topic_name>
# 输出 /turtle1/cmd_vel 发布频率
ros2 topic pub --rate 1 /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/msg/Twist "{linear: {x: 2.0, y: 0.0, z: 0.0}, angular: {x: 0.0, y: 0.0, z: 1.8}}"
2.2 Nodes
ROS 中的每个节点都应负责一个单一的模块目的(例如,一个节点负责控制车轮电机,一个节点负责控制激光测距仪等)。每个节点都可以通过主题、服务、操作或参数向其他节点发送和接收数据。 一个完整的机器人系统由许多协同工作的节点组成。在 ROS 2 中,单个可执行文件(C++ 程序、Python 程序等)可包含一个或多个节点。
具体参考: 官方教程
- nodes 帮助
ros2 nodes -h
- 启动海龟模拟和键盘控制
ros2 run turtlesim turtlesim_node
ros2 run turtlesim turtle_teleop_key
- 查看节点列表
ros2 node list
- 查看节点关系图 m
rqt_graph
- Remapping
ros2 run turtlesim turtlesim_node --ros-args --remap __node:=my_turtle
ros2 node list
- 查看节点信息
ros2 node info <node_name>
ros2 node info /my_turtle
2.3 Servics
服务是 ROS 图中节点的另一种通信方式。与主题的 "发布者-订阅者 "模式相比,服务基于 "调用-响应 "模式。主题允许节点订阅数据流并获得持续更新,而服务只有在客户端特别调用时才会提供数据。
具体参考资料: 官方教程
- 服务帮助
ros2 service -h
- 启动海龟模拟和键盘控制
ros2 run turtlesim turtlesim_node
ros2 run turtlesim turtle_teleop_key
- 查看服务列表
ros2 service list
# Display service list and message type
ros2 service list -t
- 查看服务接收的信息类型
ros2 service type <service_name>
ros2 service type /clear
- 查找使用特定信息类型的服务
ros2 service find <type_name>
ros2 service find std_srvs/srv/Empty
- 查看服务信息类型定义
ros2 interface show <type_name>.srv
ros2 interface show std_srvs/srv/Empty.srv
- 调用服务命令清除行走轨道
ros2 service call <service_name> <service_type>
ros2 service call /clear std_srvs/srv/Empty
- 生成一只新乌龟
ros2 service call /spawn turtlesim/srv/Spawn "{x: 2, y: 2, theta: 0.2, name: 'turtle2'}"
2.4 Parameters
参数是节点的配置值。可以把参数看作节点的设置。节点可以将参数存储为整数、浮点数、布尔值、字符串和列表。在 ROS 2 中,每个节点都维护自己的参数。有关参数的更多背景信息,请参阅概念文档。
具体参考资料:官方教程
- 参数帮助
ros2 param -h
- 启动海龟模拟和键盘控制
ros2 run turtlesim turtlesim_node
ros2 run turtlesim turtle_teleop_key
- 查看服务列表
ros2 param list
- 获取参数值
ros2 param get <node_name> <parameter_name>
ros2 param get /turtlesim background_g
- 设置参数值
ros2 param set <node_name> <parameter_name> <value>
ros2 param set /turtlesim background_r 150
- 导出参数值
ros2 param dump <node_name>
ros2 param dump /turtlesim
- 独立导入参数
ros2 param load <node_name> <parameter_file>
ros2 param load /turtlesim ./turtlesim.yaml
- 同时启动节点和导入参数
ros2 run <package_name> <executable_name> --ros-args --params-file <file_name>
ros2 run turtlesim turtlesim_node --ros-args --params-file ./turtlesim.yaml
2.5 Actions
行动是 ROS 2 中的通信类型之一,适用于长时间运行的任务。行动由三部分组成:目标、反馈和结果。
操作建立在主题和服务的基础上。它们的功能与服务类似,只是操作可以抢占(可以在执行时取消)。与只返回单一响应的服务不同,它们还能提供稳定的反馈。
行动使用客户端-服务器模式,类似于发布者-订阅者模式(在主题教程中有所描述)。行动客户端 "节点向 "行动服务器 "节点发送目标,后者确认目标并返回反馈流和结果。
具体参考资料:官方教程
- action 帮助
ros2 action -h
- 启动海龟模拟和键盘控制
ros2 run turtlesim turtlesim_node
ros2 run turtlesim turtle_teleop_key
按 G|B|V|C|D|E|R|T,实现旋转,按 F 取消。
- 查看节点操作的服务器和客户端
ros2 node info /turtlesim
- 查看行动列表
ros2 action list
ros2 action list -t # show action type
- 查看行动信息
ros2 action info <action>
ros2 action info /turtle1/rotate_absolute
- 查看行动信息内容
ros2 interface show turtlesim/action/RotateAbsolute
- 发送行动目标信息
ros2 action send_goal <action_name> <action_type>
ros2 action send_goal /turtle1/rotate_absolute turtlesim/action/RotateAbsolute "{theta: 1.57}"
# With feedback information
ros2 action send_goal /turtle1/rotate_absolute turtlesim/action/RotateAbsolute "{theta: 0}" --feedback
2.6 RQt
RQt 是一个图形用户界面框架,它以插件的形式实现了各种工具和界面。人们可以在 RQt 中以停靠窗口的形式运行所有现有的图形用户界面工具!这些工具仍能以传统的独立方式运行,但 RQt 使其更易于在单一屏幕布局中管理所有不同的窗口。
具体参考资料:官方教程
您可以通过以下方式轻松运行任何 RQt 工具/插件:
rqt
- rqt 帮助
rqt -h
- 启动海龟模拟和键盘控制
ros2 run turtlesim turtlesim_node
ros2 run turtlesim turtle_teleop_key
动作浏览器:/ Plugins -> Actions ->Action Type Browser
参数重新配置: / Plugins -> configuration ->Parameter Reconfigure
节点图: /Node Graph
控制转向: /Plugins -> Robot Tools -> Robot Steering
服务调用: /Plugins -> Services -> Service Caller
服务类型浏览器: Plugins -> Services -> Service Type Browser
消息发布: Plugins -> Topics -> Message Publisher
消息类型浏览器: Plugins -> Topics -> Message Type Browser
话题列表: Plugins -> Topics -> Topic Monitor
绘制曲线图: Plugins -> Visualization -> Plot
查看日志: rqt_console
ros2 run rqt_console rqt_console
ros2 run turtlesim turtlesim_node
ros2 topic pub -r 1 /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/msg/Twist "{linear: {x: 2.0, y: 0.0, z: 0.0}, angular: {x: 0.0,y: 0.0,z: 0.0}}"
2.7 TF2
tf2 是一个变换库,用户可以利用它跟踪多个坐标框架的时间变化。tf2 将坐标框架之间的关系保存在一个以时间为缓冲的树状结构中,用户可以在任意时间点对任意两个坐标框架之间的点、矢量等进行变换。
具体参考资料:官方教程
让我们先安装演示软件包及其依赖项。
sudo apt-get install ros-foxy-turtle-tf2-py ros-foxy-tf2-tools ros-foxy-tf-transformations
跟随
启动 2 只小乌龟,第一只小乌龟自动跟上第二只小乌龟
ros2 launch turtle_tf2_py turtle_tf2_demo.launch.py
- 通过键盘控制第一只小乌龟的移动
ros2 run turtlesim turtle_teleop_key
- 查看 TF 树
ros2 run tf2_tools view_frames.py
evince frames.pdf
- 查看两个坐标系之间的关系
ros2 run tf2_ros tf2_echo [reference_frame] [target_frame]
ros2 run tf2_ros tf2_echo turtle2 turtle1
- 在 rviz 上查看 TF 关系
ros2 run rviz2 rviz2 -d $(ros2 pkg prefix --share turtle_tf2_py)/rviz/turtle_rviz.rviz
2.8 URDF
URDF 是统一机器人描述格式,用于在 ROS 中指定机器人的几何形状和组织结构。
具体参考资料:官方教程
- 完整语法
<robot>
# describe:
# Parameters: name=""
# Child node:
<link>
# Description:
# Parameters:name=""
# Child node:
<visual>
# describe:
# Parameters:
# child nodes:
<geometry>
# description
# parameters
# Child node:
<cylinder />
# Description:
# Parameters:
# length="0.6"
# radius="0.2"
<box />
# description
# Parameters:size="0.6 0.1 0.2"
<mesh />
# Description
#Parameters: filename="package://urdf_tutorial/meshes/l_finger_tip.dae"
<collision>
# Description: collision element, prioritized
# parameters
# child node
<geometry>
<inertial>
# description
# parameters
# Child nodes:
<mass />
# description: mass
# Parameters: value=10
<inertia />
# Description: Inertia
# Parameters: i+"Cartesian product of xyz" (9 in total)="0.4"
<origin />
# Description:
# Parameters:
# rpy="0 1.5 0"
# xyz="0 0 -0.3"
<material />
# Description
# Parameters:name="blue"
<joint>
# Description
# Parameters:
# name=""
# type=""
# fixed
# prismatic
# child node
<parent />
# Description
# Parameters:link=""
<child />
# Description:
# Parameters:link=""
<origin />
# Description:
# Parameters:xyz="0 -0.2 0.25"
<limit />
# Description
# Parameters:
# effort="1000.0" maximum effort
# lower="-0.38" Joint upper limit (radians)
# upper="0" Joint lower limit (radians)
# velocity="0.5" Maximum velocity
<axis />
# Description: Press ? axis rotation
# Parameters:xyz="0 0 1",along the Z axis
<material>
# Description:
# Parameters:name="blue"
# child node:
<color />
# description:
# Parameters:rgba="0 0 0.8 1"
- 安装依赖库
sudo apt install ros-foxy-joint-state-publisher-gui ros-foxy-joint-state-publisher
sudo apt install ros-foxy-xacro
- 下载源代码
cd ~/dev_ws
git clone -b ros2 https://github.com/ros/urdf_tutorial.git src/urdf_tutorial
- 编译源代码
colcon build --packages-select urdf_tutorial
- 运行示例
ros2 launch urdf_tutorial display.launch.py model:=urdf/01-myfirst.urdf
2.9 Launch
ROS 2 中的启动系统负责帮助用户描述其系统的配置,然后按描述执行。系统配置包括运行哪些程序、在哪里运行、传递哪些参数,以及 ROS 特有的约定,通过为每个组件提供不同的配置,可以方便地在整个系统中重复使用组件。此外,它还负责监控已启动进程的状态,并对这些进程的状态变化做出报告和/或反应。
用 Python、XML 或 YAML 编写的启动文件可以启动和停止不同的节点,并触发和执行各种事件。
具体参考资料:官方教程
设置
创建一个新目录来存储启动文件:
mkdir launch
编写启动文件
让我们使用 turtlesim 软件包及其可执行文件制作一个 ROS 2 启动文件。如上所述
将完整代码复制并粘贴到 launch/turtlesim_mimic_launch.py 文件中:
from launch import LaunchDescription
from launch_ros.actions import Node
def generate_launch_description():
return LaunchDescription([
Node(
package='turtlesim',
namespace='turtlesim1',
executable='turtlesim_node',
name='sim'
),
Node(
package='turtlesim',
namespace='turtlesim2',
executable='turtlesim_node',
name='sim'
),
Node(
package='turtlesim',
executable='mimic',
name='mimic',
remappings=[
('/input/pose', '/turtlesim1/turtle1/pose'),
('/output/cmd_vel', '/turtlesim2/turtle1/cmd_vel'),
]
)
])
运行 ros2 启动文件
要运行上文创建的启动文件,请进入之前创建的目录并运行以下命令:
语法格式为
ros2 launch <package_name> <launch_file_name>
cd launch
ros2 launch turtlesim_mimic_launch.py
- 启动帮助
ros2 launch -h
- 运行节点
ros2 launch turtlesim multisim.launch.py
- 检查启动文件的参数
ros2 launch turtlebot3_fake_node turtlebot3_fake_node.launch.py -s
ros2 launch turtlebot3_fake_node turtlebot3_fake_node.launch.py --show-arguments
ros2 launch turtlebot3_bringup robot.launch.launch.py -s
- 运行带参数的启动文件
ros2 launch turtlebot3_bringup robot.launch.launch.py usb_port:=/dev/opencr
- 运行节点并调试
ros2 launch turtlesim turtlesim_node.launch.py -d
- 只有输出节点说明
ros2 launch turtlesim turtlesim_node.launch.py -p
- 运行部件
ros2 launch composition composition_demo.launch.py
2.10 Run
run 用于运行单个节点、组件程序
- 运行帮助
ros2 run -h
- 运行节点
ros2 run turtlesim turtlesim_node
- 带参数运行节点
ros2 run turtlesim turtlesim_node --ros-args -r __node:=turtle2 -r __ns:=/ns2
- 运行组件容器
ros2 run rclcpp_components component_container
- 运行部件
ros2 run composition manual_composition
2.11 Package
软件包可以看作是 ROS 2 代码的容器。如果你想安装你的代码或与他人分享,那么你就需要将其整理成一个软件包。有了软件包,你就可以发布你的 ROS 2 作品,并允许他人轻松构建和使用。
ROS 2 中的软件包创建使用 ament 作为构建系统,使用 colcon 作为构建工具。您可以使用官方支持的 CMake 或 Python 创建软件包,当然也存在其他构建类型。
具体参考资料:官方教程
创建工作区
为每个新工作区创建一个新目录。名称并不重要,但最好能说明工作区的用途。我们选择 ros2_ws 作为 "开发工作区 "的目录名:
mkdir -p ~/ros2_ws/src
cd ~/ros2_ws/src
- pkg 帮助
ros2 pkg -h
- 功能包列表
ros2 pkg executable turtlesim
- 输出功能包执行程序
ros2 pkg executable turtlesim
- 创建 Python 软件包
运行软件包创建命令前,请确保您已进入 src 文件夹。
cd ~/ros2_ws/src
在 ROS 2 中创建新软件包的命令语法是
ros2 pkg create --build-type ament_python <package_name>
# 你将使用可选参数 --node-name 在软件包中创建一个简单的 Hello World 类型的可执行文件。
ros2 pkg create --build-type ament_python --node-name my_node my_package
- 构建软件包
将软件包放在工作区中尤为重要,因为通过在工作区根目录下运行 colcon build,可以一次性构建多个软件包。否则,您将不得不单独构建每个软件包。
# 返回工作区的根目录:
cd ~/ros2_ws
# 现在,您可以构建软件包了:
colcon build
- 获取设置文件
要使用新软件包和可执行文件,首先要打开一个新终端,并将 ROS 2 的主安装程序作为源代码。
然后,在 ros2_ws 目录下运行以下命令,获取工作区的源代码:
source install/setup.bash
现在工作区已添加到路径中,您就可以使用新软件包的可执行文件了。
- Use the package
要运行创建软件包时使用 --node-name 参数创建的可执行文件,请输入命令:
ros2 run my_package my_node