之前已經接觸過一些ROS的使用，但是還沒有系統地學習過，因此在此記錄一下學習的筆記。學習ROS首先必須參考ROS wiki及ROS Answers，另外國內“古月居”的博客和“東方赤龍”的博客都可以參考學習，古月居的書《ROS機器人開發實踐》也不錯，可以用來系統的學習。不過，需知道ROS本身只是一個方便大家開發的工具罷了。

1. 初識ROS

分布式網絡，TCP/IP，模塊間松耦合連接

三種通信機制：
1.基於發布/訂閱topic通信（異步）

• talker註冊
• listener註冊
• ROS master進行信息匹配
• listener發送連接請求
• talker確認連接請求
• listener嘗試與talker建立網絡連接
• talker向listener發布數據

註意，節點建立連接後，可以關掉ROS master，節點間數據傳輸不受影響，但其他節點也無法加入這兩個節點間的網絡。

2.基於客戶端/服務器service通信（同步）

帶有應答，減少了listener與talker間的RPC通信。底層協議和topic通信一樣，用的都是ROSTCP/ROSUDP。
只允許一個節點提供指定命名的服務（一對多），實時性比topic強。

3.基於遠程過程調用（RPC）的參數服務器

不涉及TCP/UDP通信。
參數類似ROS中的全局變量，包含key和value，由ROS master進行管理。
需註意有時需要動態參數配置來通知listener參數已被更新。

topic通信適用於不斷更新、含較少邏輯處理的數據通信；service通信適用於數據量較少但有邏輯處理的數據交換。

2. ROS架構

分為三層：

• OS層。基於linux
• 中間層。提供通信機制及一些庫
• 應用層。各功能包內模塊以節點為單位

3. ROS基礎

3.1 創建工作空間和功能包

mkdir -p ~/catkin_ws/src 

# 在工作空間根目錄編譯，編譯後自動出現build和devel文件夾及幾個腳本文件，用於設置環境變量等
cd ~/catkin_ws/
catkin_make

# 運行腳本文件使其生效
source devel/setup.bash

#　查看環境變量是否生效
echo $ROS_PACKAGE_PATH 

# 如果沒添加上使用sudo gedit ~/.bashrc打開文件手動添加。或者在終端使用下面命令直接添加。
# 這種方式對所有終端都有效，而source只對當前終端有效！
echo "source ~/catkin_ws/devel/setup.bash">> ~/.bashrc 
source ~/.bashrc

# 進入代碼空間，創建自己的功能包。一般都會依賴roscpp，rospy，std_msgs這幾個功能包
# 不過也可以不用現在添加，後續用到具體的依賴時，再在CMakeLists中直接加上即可。
# 你也可以直接去github下載別人寫好的功能包，就不用自己創建啦。
# 創建完成後，代碼空間src中會生產一個叫my_package的功能包，其中已經包含package.xml和CMakeLists.txt文件。
# 在後續寫代碼時，就可以把源碼放進功能包src文件夾中，然後寫相應的CMakeLists.txt就可以了。具體見下面CLion教程。
cd ~/catkin_ws/src
catkin_create_pkg my_package roscpp rospy std_msgs
 

3.2 工作空間的覆蓋

# ROS中為解決同名功能包問題，存在覆蓋機制。即$ROS_PACKAGE_PATH中記錄的環境變量，最前面覆蓋最後面的。
# 創建多個同名功能包時，需要註意這點！
# rospack 查找功能包所放置的工作空間
rospack find roscpp

3.3 使用IDE運行及調試ROS程序

這個是非常重要的一點！否則後面不管是自己寫ros程序還是用別人開源的程序，調試起來會很麻煩。
ROS支持許多IDE開發，具體可以看wiki上的介紹。CLion是一個個人覺得非常好用的跨平臺c++IDE。搭建CLion開發環境後可以利用CLion運行和調試ros程序，十分方便，具體見CLion官方教程
其中需要註意的是，每次必須從終端利用bash打開CLion；或者要改一個桌面快捷方式文件，使其每次通過bash啟動，網上可以搜到解決方案。

另外，還可以配置下編譯路徑。CLion默認在cmake-build-debug或cmake-build-release文件夾保存編譯文件。可以通過File|Settings(Ctrl+Alt+S)|Build, Execution, Deployment|CMake改一下:
1.Generation path改為/home/name/catkin_ws/build
2.CMake options加上 -DCATKIN_DEVEL_PREFIX:PATH=/home/name/catkin_ws/devel

3.4 創建Publisher和Subscriber

這也是一個非常重要的一點！因為做slam會經常用到訂閱傳感器發布的話題，然後獲取各種傳感器數據並在程序中處理後，生成位姿與地圖，最終把結果按相應規定的數據格式發布出去。
基於C++寫一個ROS程序，深入理解發布和訂閱機制:
http://wiki.ros.org/ROS/Tutorials/WritingPublisherSubscriber%28c%2B%2B%29

3.5 自定義話題消息

ROS的元功能包common_msgs提供了許多不同消息類型的功能包，如std_msgs、geometry_msgs、sensor_msgs等。當不能滿足自己程序的需求時，可以在項目下新建msg文件夾，並將自定義的消息類型文件.msg放於其中。然後更改package.xml和CMakeLists.txt文件即可。

話題消息編譯與編程語言無關。

3.6 創建Server和Client

類似可以自定義消息，你也可以將自定義服務數據.srv放置於新建的srv文件夾。
創建Server過程類似創建Subscriber，而創建Client類似創建Publisher。

3.7 分布式多機通信

非常常用，第五章會用到
需要配置IP地址和設置ROS_MASTER_URI

4. ROS中常用組件

4.1 launch啟動文件

利用xml文件同時啟動和配置多節點，避免了每次打開多個終端運行多個節點。
重要的節點屬性包括name/pkg/type/args/output等，其中：

• <name> 定義節點運行的名稱，將覆蓋節點中init()賦予節點的名稱
• <pkg> 定義節點所在功能包名稱
• <type> 定義節點可執行文件名
• <args> 定義節點運行參數，可以有多個
• <output> 若值為screen表示節點標準輸出到終端屏幕，默認輸出為日誌文檔

參數設置：

• <param> 類似變量聲明
• <rosparam> 直接加載整個yaml文件
• <arg> 類似launch文件內部的局部變量，僅限內部使用，與節點無關

這裏需要註意一個小問題。比如我的程序需要1個輸入參數（即argc=2），在使用launch文件後，程序參數個數變多了（即argc>2）。比如這是我的launch文件，可以看到我的程序需要1個輸入參數：

<launch>
    <node
     name="rgbdslam" pkg="rgbdslam" type="run_vo" args="$(find rgbdslam)/config/default.yaml"
     output="screen"
        />
</launch>

但是，運行後程序的實際argv打印到屏幕如下，多了兩個參數。不過這個小問題影響不大，了解即可：

/home/gjh/catkin_ws/src/rgbdslam/bin/run_vo
/home/gjh/catkin_ws/src/rgbdslam/config/default.yaml
__name:=rgbdslam
__log:=/home/gjh/.ros/log/e840c676-1bca-11e9-b271-000c290958e7/rgbdslam-2.log

重映射：類似c++別名機制，如：

<remap from="/turtlebot/cmd_vel" to="/cmd_vel" />

另外，也可以使用終端完成重映射，如之前運行lsd-slam時就使用過這種方法：

rosrun lsd_slam_core live_slam image:=/image_raw　camera_info:=/camera_info

嵌套復用。其中使用find命令查找當前包的路徑，如：

<include file="$(find mypackage)/launch/other.launch">

在launch中直接啟動master，參數還可以為restart或no：

<master auto="start"/>

4.2 TF坐標變換

# 一些TF工具
# 1.查看指定坐標系之間變換關系，即平移和旋轉
rosrun tf tf_echo <source_frame> <target_frame>

# 2.顯示TF樹信息，並保存為pdf
rosrun tf view_frames

# 3.其他
tf_monitor
static_transform_publisher

通過創建TF廣播器和TF監聽器，實現烏龜跟隨運動

4.3 Qt工具箱

日誌輸出工具　rqt_console
計算圖可視化工具 rqt_graph
數據繪圖工具　rqt_plot
參數動態配置工具　rqt_reconfigure

4.4 rviz可視化平臺

配置好rviz後，可以在file|save config as保存.rviz文件。然後使用-d參數加載配置文件，從而可以避免每次重新配置：

rosrun rviz rviz -d <path>/rvizfile.rviz

# for example
rosrun rviz rviz -d `rospack find turtle_tf`/rviz/rvizfile.rviz

或者還可以把這一步寫進launch文件中，更加方便！

4.5 rosbag數據記錄與回放

# 查看bag文件信息，時長duration，是否壓縮等
rosbag info <your bagfile>

# 解壓縮
rosbag decompress <your bagfile>

5.機器人平臺搭建

機器人組成：

• 執行機構。類似“手腳”
• 驅動機構。類似“肌肉和筋絡”。驅動板：電源子系統、電機驅動子系統、傳感器接口
• 傳感系統。類似“感官”。內部傳感器(裏程計、陀螺儀)；外部傳感器（攝像頭、激光）
• 控制系統。類似“大腦”。處理器（使用樹莓派/PC等）、算法，與ROS相關較大

基於樹莓派控制系統

• 使用單處理器。直接使用PC+ROS，通過usb通信，但無法遠程監控。
• 使用多處理器（推薦）。兩臺PC/PC+嵌入式，無線網絡通信。

例子：利用PC控制MRobot移動，並配備傳感器。
嵌入式完成本地運動控制及傳感器數據采集，遠端PC完成遠程監控及復雜功能計算。

6.機器人建模與仿真

6.1 URDF統一機器人描述格式

<link> 機器人剛體部分外觀和物理屬性
<joint> 連接兩個剛體link，6種類型
<robot> 最頂層標簽，包含一系列link和joint
<gazebo> 不是必需，只在gazebo仿真時加入

6.2 創建機器人URDF模型

# 1.編寫urdf
# 2.檢查xml格式
check_urdf mrobot_chasssis.urdf
# 3.生成模型的整體結構圖
urdf_to_graphiz mrobot_chasssis.urdf
# 4.rviz中可視化

6.３ xacro優化urdf

原始urdf冗長重復，xacro進行改進。
可以使用常量定義、調用數學公式、使用宏定義（類似函數）以達到精簡目的。

6.4 添加傳感器模型

6.5　Gazebo仿真

rosrun gazebo_ros gazebo

如果沒有真實機器人，則需仿真。仿真前，需構建仿真環境。兩種方式：

• 直接insert模型. 需連外網，或把模型提前下載到指定目錄下；
• Building Editor. 在Edit菜單中

7.SLAM

8.ROS進階

9.ROS2

ROS學習筆記(持續更新)