ROS，即Robot Operating System，中文通常称为机器人操作系统。它是一个用于构建机器人应用的框架，由一系列软件包和工具组成，旨在简化机器人编程的开发过程。本文将从ROS的入门知识开始，逐步深入到实战应用，带你一起探索这个机器人操作系统的奥秘。
ROS的起源与发展
ROS最初由Willow Garage公司于2007年开发，旨在为机器人社区提供一个通用的软件开发平台。随着时间的发展，ROS已经成为机器人领域的事实标准，被广泛应用于各种机器人研究和开发项目中。
ROS的架构
ROS的架构可以分为以下几个层次：
- 底层：包括硬件抽象层、设备驱动和底层通信协议。
- 中间层：提供节点通信、话题、服务、参数服务器等功能。
- 应用层：包括各种功能包，如导航、感知、控制等。
ROS的安装与配置
系统要求
- 操作系统：Ubuntu 16.04、Ubuntu 18.04或Ubuntu 20.04
- 硬件：至少2GB内存
安装步骤
- 更新系统：
sudo apt update
sudo apt upgrade
- 安装依赖：
sudo apt install -y \
build-essential \
cmake \
git \
python3-pip \
python3-rosdep \
python3-rosinstall-generator \
python3-wstool \
python3-rosinstall
- 设置ROS环境：
sudo sh -c 'echo "deb http://packages.ros.org/ros/ubuntu $(lsb_release -cs) main" > /etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list'
sudo apt-key adv --keyserver 'hkp://keyserver.ubuntu.com:80' --recv-key C1CF6E31E6BADE8868B172B4F42ED6FBAB17C654
- 安装ROS桌面版：
sudo apt install -y ros-$ROS_DISTRO-desktop-full
- 初始化rosdep：
sudo rosdep init
rosdep update
- 设置环境变量：
echo "source /opt/ros/$ROS_DISTRO/setup.bash" >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc
ROS的基本概念
节点（Node）
节点是ROS中执行任务的实体，每个节点都运行在一个独立的进程中，并可以与其他节点进行通信。
话题（Topic）
话题是ROS中数据传输的载体，用于节点之间的通信。节点可以通过发布（publish）和订阅（subscribe）话题来实现数据交换。
服务（Service）
服务是ROS中的一种请求-响应通信机制，用于节点之间的交互。
参数服务器（Parameter Server）
参数服务器是一个存储各种参数的数据库，用于节点之间的共享配置信息。
ROS的实战应用
编写第一个ROS节点
- 创建工作空间：
mkdir -p ~/catkin_ws/src
cd ~/catkin_ws/
catkin_make
- 创建节点：
cd ~/catkin_ws/src
catkin_create_pkg my_node std_msgs rospy roscpp
- 编写节点代码：
#!/usr/bin/env python
import rospy
from std_msgs.msg import String
def talker():
pub = rospy.Publisher('chatter', String, queue_size=10)
rospy.init_node('talker', 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:
talker()
except rospy.ROSInterruptException:
pass
- 编译工作空间：
cd ~/catkin_ws/
catkin_make
- 运行节点：
source devel/setup.bash
rosrun my_node talker.py
- 查看输出：
rosrun rqt_plot rqt_plot
编写第一个ROS服务
- 创建服务节点：
cd ~/catkin_ws/src
catkin_create_pkg my_service std_msgs rospy roscpp
- 编写服务节点代码：
#!/usr/bin/env python
import rospy
from std_msgs.msg import String
from my_service.srv import AddTwoInts
def add_two_ints_server(req):
rospy.loginfo("Request: x=%s, y=%s" % (req.a, req.b))
res = AddTwoIntsResponse()
res.sum = req.a + req.b
return res
def add_two_ints_server_node():
rospy.init_node('add_two_ints_server')
s = rospy.Service('add_two_ints', AddTwoInts, add_two_ints_server)
rospy.spin()
if __name__ == '__main__':
add_two_ints_server_node()
- 编译工作空间：
cd ~/catkin_ws/
catkin_make
- 运行服务节点：
source devel/setup.bash
rosrun my_service add_two_ints_server_node.py
- 创建客户端代码：
#!/usr/bin/env python
import rospy
from my_service.srv import AddTwoInts
def callback(req):
rospy.loginfo("Request: x=%s, y=%s" % (req.a, req.b))
res = AddTwoIntsResponse()
res.sum = req.a + req.b
return res
def client():
rospy.wait_for_service('add_two_ints')
try:
add_two_ints = rospy.ServiceProxy('add_two_ints', AddTwoInts)
req = AddTwoIntsRequest()
req.a = 3
req.b = 4
res = add_two_ints(req)
rospy.loginfo("Response: %s" % res.sum)
except rospy.ServiceException as e:
rospy.logerr("Service call failed: %s" % e)
if __name__ == '__main__':
client()
- 编译工作空间：
cd ~/catkin_ws/
catkin_make
- 运行客户端代码：
source devel/setup.bash
rosrun my_service client.py
- 查看输出：
rosrun rqt_plot rqt_plot
通过以上实战应用，我们可以了解到ROS的基本概念和编程方法。在实际应用中，ROS还可以与各种传感器、执行器、导航算法等结合，实现更加复杂的机器人功能。
总结
ROS是一个功能强大的机器人操作系统，它为机器人开发提供了丰富的工具和资源。通过本文的介绍，相信你已经对ROS有了初步的了解。在实际应用中，不断学习和实践，你将能够更好地掌握ROS，并将其应用于你的机器人项目中。