移动机器人SLAM技术 课件 【ch08】机器人操作系统

机器人操作系统第八章大学生礼仪高等院校公共课系列精品教材01ROS简介PARTONE01ROS的发展ROS是一个适用于机器人编程的框架，这个框架把原本松散的零部件耦合在了一起，为它们提供了通信架构。ROS虽然叫作机器人操作系统，但并非Windows、Mac那种通常意义上的操作系统，它只是连接了操作系统和开发的ROS应用程序，所以它算是一个中间件，基于ROS的应用程序建立起了沟通的桥梁，它也运行在Limx上的运行环境中，在这个环境中，机器人的感知、决策、控制算法可以更好地组织和运行。01ROS的发展21世纪开始，关于人工智能的研究进入了大发展阶段，包括全方位的、具体的人工智能，如斯坦福大学人工智能实验室的斯坦福人工智能机器人(StanfordArtificialIntelligenceRobot)项目。该项目组创建了灵活的、动态的软件系统的原型，用于机器人技术。在2007年，机器人公司WillowGarage和该项目组合作，十分具有前瞻性地提供了大量资源进一步扩展了这些概念，经过具体的研究测试实现之后，无数的研究人员将他们的专业性研究贡献到ROS的核心概念和其基础软件包中，这期间积累了众多的科学研究成果。ROS软件的开发自始至终来用开放的BSD协议，在机器人技术研究领域逐渐成为一个被广泛使用的平台。01ROS的发展WillowGarage公司和斯坦福大学人工智能实验室合作以后，在2009年初推出了ROS0.4,这是一个测试版的ROS,现在所用的系统框架在这个版本中已经具有了初步的雏形，之后的版本才正式开启了ROS的发展成熟之路。ROS1.0版本发布于2010年，它基于PR2机器人开发了一系列与机器人相关的基础软件包。随后ROS的版本迭代频繁，目前使用人数最多的是Kinetic和Indigo这两个长期支持的版本。01ROS的发展ROS的发展逐渐地趋于成熟，近年来也逐步随着Ubuntu的更新而更新，这说明ROS已经初步进入一种稳定的发展状态，每年进行一次更新同时还保留着长期支持的版本，这使得ROS在稳步地前进发展的同时，也有开拓创新的方向。具前越来越多的机器人、无人机甚至无人车都开始采用ROS作为开发平台，尽管目前ROS在实用方面还存在一些限制，但前途非常光明。01ROS的安装ROS目前只支持在Linux系统上安装部署，它的首选开发平台是Uountu。时至今日，ROS已经相继更新推出了多种版本，供不同版本的Ubuntu开发者使用。为了提供最稳定的开发环境，ROS的每个版本都有一个推荐运行的Ubuntu版本。本书使用的平台是Ubuntu16.04,ROS版本是Kinetic。1.配置软件库打开Ubuntu的设置窗口，单击其中的“Sofiware&Updates”按钮，在打开的“Software&Updates”窗口中单击“UbuntuSofware”选项卡，这时将进入其子页面，从中勾选“(universe)”"(restricted)"“(multiverse)”复选框。01ROS的安装2.设置软件源(1)首先添加sources.list。swaoaoe/Cc/lob-leleiseauecnodashelmicatintnghaoneeto/aptsoorcea/rolateetile这一步配置将镜像添加到Ubuntu系统源列表中，建议使用国内镜像源，这样能够保证下载速度。本例使用的是清华大学的源。(2)然后添加keys。sudoant-keyaw-keyoryerhkpkeysarvetao/cecy-keOC31SGBAD28869B172HA42D6PEN017C65若无法连接到密钥服务器，可以尝试替换上面命令中的hkp:/:80为hkp://:80,也可以使用cur命令替换apt-key命令，这在使用代理服务器的情况下比较有用。Cuntasnoeksucps/ioo?opstkete-oxciorsesissoe68072820B14ta公钥是Ubuntu系统的一种安全机制，也是ROS安装中不可或缺的一部分。dee(3)最后进行系统更新。更新系统，确保自己的Debian软件包和索引是最新的。01ROS的安装3.安装ROSROS中有很多函数库和工具，官网提供了4种默认的安装方式，当然也可以单独安装某个特定的软件包。这4种安装方式包括桌面完整版安装、桌面版安装、基础版安装、单独软件包安装。推荐桌面完整版，其安装如下：号：ioeptetanecaltfos-kinetid-deskrop-ntubontu16.d01配置ROS1.初始化rosdep在开始使用ROS之前还需要初始化rosdep。rosdep可以在用户需要编译某些源码的时候为其安装一些系统依赖，同时也是某些ROS核心功能组件所必须用到的工具。sudoxosdepiniteppdat2.ROS的环境配置输入命令行：sacho"source/opt/ros/kinetic/setupbath"bashrc注意：RDS的环境配置使得用户每次打开一个新的终端时，ROS的环境变量都能够自动配置好，也就是添加到bash会话中。3.安装rosinstallrosinstall是ROS中一个独立分开的常用命令行工具，它可以方便用户通过一条命令给某个ROS软件包下载很多源码树。在Ubuntu上安装这个工具，请运行sodeaptgotinstairprtion-rosinsta11海.至此，ROS的安装就结束了，下面测试ROS能否正常运行。01测试ROS首先启动R08,输入代码运行roscore。toscore同时通过rosnode可以获取节点信息。01测试ROS启动roscore后，重新打开一个终端窗口，输入osstutietortlsimnod一只小海龟将出现在屏幕上，并可以通过重新打开一个新的终端，输入下述命令来控制小海龟运动。zoorunturciasimturtleteieoP_ker将鼠标聚焦在第三个终端窗口上，然后通过键盘上的方向键操作小海龟，小海龟可以正常移动，并且在屏幕上留下自己的移动轨迹，其运行示意图如图8.3所示。至此，ROS已经成功地安装、配置并且运行。02atkin文件系统PARTONE02catkin编译系统早期的ROS编译系统是rosbuild,但随着ROS的不断发展，rosbuild逐渐暴露出许多缺点，不能很好地满足系统需要。在Groovy版本面世后，catkin作为rosbuild的替代品被正式投入使用。catkin的操作更加简化且工作效率更高，可移植性更好，而且支持交叉编译和更加合理的功能包分配。县前的ROS同时支持着rosbuild和catkin两种编译系统，但ROS的核心软件包已经全部转换为catkin,rosbuild已经被逐步淘汰，所以建议初学者直接上手catkin。对于源代码包，我们只有编译才能在系统上运行。Linux下的编译器有gcc、g++,随着源文件的增加，直接用gcc/g++命令的方式显得效率低下，人们开始用Makefile来进行编译。然而随着工程体量的增大，Makefile也不能满足需求，于是便出现了CMake工具。CMake是make工具的生成器，是更高层的工具，它简化了编译构建过程，能够管理大型项目，具有良好的扩展性。ROS这样大体量的平台采用的就是CMake,并且ROS对CMake进行了扩展，于是便有了catkin编译系统。。02catkin编译系统1.catkin的特点catkin是基于CMake的编译构建系统，一个catkin的软件包必须包括package.xml和CMakeLists,txt这两个文件，且具有以下特点。(1)沿用了包管理的传统像find_package()的基础结构pkg-config。(2)扩展了CMake,如软件包编译后无须安装就可使用，可自动生成find_package()代码、pkg-config文件，解决了多个软件包的构建顺序问题。02catkin编译系统2.catkin的工作原理catkin编译的工作流程如下。(1)首先在工作空间catkin_ws/src/下递归地查找其中每一个ROS的package.(2)package中会有package.xml和CMakeLists.txt文件，catkin(CMake)编译系统依据CMakeLists.txt文件生成makeflles文件(放在catkin_ws/build/下)。(3)make刚刚生成的makefiles等文件编译链接生成可执行文件(放在catkin_ws/devel下)。也就是说，catkin就是将CMake与make指令做了一个封装，从而完成整个编译过程的工具。02catkin编译系统

操作更加简单。1一次配置，多次使用。2跨依赖项目编译。3catkin的突出优点02catkin编译系统3.使用catkin_make进行编译要用catkin编译一个工程或软件包，只需要用catkin_make指令即可。一般写完代码时，执行一次catkin_make进行编译，调用系统自动完成编译和链接过程，构建生成目标文件。编译的一般流程如下。scd/catkinws计回到工作查间，catkiamake必须在工作空间下执行scatkihmake开始辅5source~/catkinwilaeyel/setup;bash新环统注意：catkin编译之前需要回到工作空间目录，catkin_make在其他路径下编译不会成功。编译完成后，如果有新的目标文件产生(原来没有),那么一般紫跟着要source刷新环境，使系统能够找到刚才编译生成的ROS可执行文件。这个细节被遗漏会致使后面出现可执行文件无法打开等错误。02catkln工作空间catkin工作空间是创建、修改、编译catkin软件包的目录。catkin的工作空间，直观地形容为一个仓库，里面装载着ROS的各种项目工程，便于系统组织、管理、调用，在可视化图形界面里是一个文件夹。用户自己写的ROS代码通常就放在catkin工作空间中，本节就来介绍catkin工作空间的结构。02catkln工作空间1.初始化catkin工作空间介绍完catkin编译系统，我们来建立一个catkin工作空间。首先要在计算机上创建一个初始的catkin_ws/路径，这也是catkin工作空间结构的最高层级。输入下列指令，完成初始创建。mkdirpcatkinyserScahcatktnmeke初效化工种安同第一行代码直接创建了第二层级的文件夹src,这也是用户放ROS软件包的地方。第二行代码使得进程进入工作空间，然后再是catkin_make。注意：①catkin_make命令必须在工作空间这个路径上执行；②原先的初始化命令catkin_init_workspace仍然保留。02catkln工作空间2、结构介绍catkin的结构十分清晰，在工作空间下用tree命令可显示文件结构。5od-/catkin_wsssudoaptinatauitreetceecatkin工作空间结构包括sre(ROS的catkin软件包，即源代码包),build[catkin(CMake)的缓存信息和中间文件],devel[生成的目标文件(包括头文件、动态链接库、静态链接库、可执行文件等)、环境变量]三个路径，在有些编译选项下也可能包括其他内容，但这三个文件夹是catkin编译系统默认的。通常后两个路径由catkin系统自动生成、管理，用户日常的开发一般不会涉及，而主要用到的是src文件夹，用户写的ROS程序、网上下载的ROS源代码包都存放在这里。在编译时，catkin编译系统会递归地查找和编译src/下的每一个源代码包，因此也可将几个源代码包放到同一个文件夹下。02package功能包ROS中package的定义更加具体，它不仅是Linux上的软件包，更是catkin编译的基本单元，用户调用的cakin_make编译的对象就是一个个ROS的package,也就是说，任何ROS程序只有组织成package才能编译。所以package也是ROS源代码存放的地方，任何ROS的代码无论是C++还是Python都要放到package中，这样才能正常地编译和运行。一个package可以编译出多个目标文件(ROS可执行程序、动态静态库、头文件等)。02package功能包1.package的结构一个package下常见的文件、路径如下。其中定义package的是CMakeLists.txt和package.xml两个文件，这两个文件是package中必不可少的，catkin编译系统在编译前，首先要解析这两个文件，这两个文件就定义了一个package。通常ROS的文件组织都会按照以上的形式，这是约定俗成的命名习惯，建议遵守以上路径，只有CMakeLists.txt和package.xml是必需的，其余路径根据软件包是否需要来决定。02package功能包2.package的创建创建一个package需要在catkin_ws/src下用到catkin_create_pkg命令，用法是catkin_createpkgpackagedepends。其中package是包名，depends是依赖的包名，可以依赖多个软件包。这样就会在当前路径下新建testpkg软件包，包括：catkin_create_pkg帮忙完成了软件包的初始化，填充好了CMakeLists.xt和package.xml两个文件，并且将依赖项填进了这两个文件中。02package功能包3.package的相关命令rostopic常用命令包括rospack(是对package管理的工具)、roscd(类似于Linux系统的od,改进之处在于roscd可以直接cd到ROS的软件包)、rosls(可视为Linux指令is的改进版，可以直接列出ROS软件包的内容)、rosdep(用于管理ROSpackage依赖项的命令行工具)。rostopic常用命令及作用如表所示。02package功能包1.CMakeLists.txtCMakeLists.txt原本是CMake编译系统的规则文件，而catkin编译系统基本沿用CMake的编译风格，只是针对ROS工程添加了一些宏定义，所以在写法上，catkin的CMakeLists,xt与CMake基本一致。这个文件直接规定了这个package要依赖哪些package、要编译生成哪些目标、如何编译等流程，所以CMakeLists.tut非常重要，它指定了由源码到目标文体的规则。catkin编译系统在工作时首先会找到每个package下的CMakeLists.st文件，然后按照规则来编译构建。CMakeLists,txt的基本语法按照的是CMake的语法，而catkin在其中加入了少量的宏。可阅读相关书籍进行学习，掌握CMake语法对理解ROS工程很有帮助。02package功能包2.package.xmlpackage.xml也是一个catkin的package必备文件，它是这个软件包的描述文件，在较早的ROS版本(rosbuild编译系统)中，这个文件叫作manifestxml,用于描述package的基本信息。如果用户在网上看到一些ROS项目里包含manifestxm!文件，那么它多半是Hydro版本之前的项目了。package.xml包含了package的包名、版本号、内容描述、维护者、软件许可证、编译构建工具、编译依赖项、运行依赖项等信息。实际上rospackfind、rosdep等命令之所以能快速定位和分析出package的依赖项信息，就是因为直接读取了每一个package中的package.xml文件。它为用户提供了快速了解一个package的渠道。02package功能包packagexml遵循xml标签文本的写法，由于版本更迭原因，现在有两种格式并存，不过区别不大。老版本和新版本package.xml包含的标签分别如表8.2和表8.3所示。02package功能包目前Indigo、Kinetic、Lunar等版本的ROS都同时支持两种版本的package.xml,所以无论选哪种格式都可以。02package功能包3.其他常见文件类型在ROS的package中，还有许多其他常见的文件类型。(1)launch文件，launch文件一般以leunch或xml结尾，它对ROS需要的运行程序进行了打包，通过一句命令来启动。一般launch文件中会指定要启动哪些package下的哪些可执行程序，指定以什么参数启动，以及一些管理控制的命令。launch文件通常放在软件包的launch/路径中。(2)msg/srv/action文件。ROS程序中可能有一些自定义的msg/srv/action文件，为程序的开发者所设计的数据结构，这类文件以msg,.srv,action结尾，通常放在package的msg',srv/,action/路径下。(3)urdf/xacro文件。urdf/xacro文件是机器人模型的描述文件，以，urdf或.xacro结尾。它定义了机器人的连杆和关节信息，以及它们之间的位置、角度等信息，通过urdf文件可以将机器人的物理连接信息表示出来，并在可视化调试和仿真中显示。02package功能包(4)yaml文件。yaml文件一般存储ROS需要加载的参数信息、一些属性的配置。通常在launch文件或程序中读取yaml文件，把参数加载到参数服务器上。通常我们会把yaml文件存放在param/路径下。(5)dae/stl文件。dae/stl文件是3D模型文件，机器人的urdf文件或仿真环境通常会引用这类文件，它们描述了机器人的三维模型。相比于urdf文件简单定义的性状，dae/stl文件可以定义复杂的模型，可以直接从SolidWorks或其他建模软件中导出机器人装配模型，从而显示出更加精确的外形。(6)rviz文件。ryiz.文件本质上是固定格式的文本文件，其中存储了RViz窗口的配置。通常rviz文件不需要我们去手动修改，而是直接在RViz工具里保存，下次运行时直接读取。03ROS通信机制PARTONE03topicROS的通信方式是ROS最为核心的概念，ROS的精髓就在于它提供的通信架构。ROS的通信方式有4种：话题(Topic)、服务(Service)、参数服务器和动作库(Actionlib)。在ROS的通信方式中，topic是常用的一种。对于实时性、周期性的消息，使用topic来传输是最佳的选择。topic是一种点对点的单向通信方式，这里的“点”指的是node,也就是说nede之间可以通过topic方式来传递信息。topic要经历下面几步初始化过程：首先，publisher节点和subscriber节点都要到节点管理器进行注册，然后publisher会发布topic,subscriber在master的指挥下会订阅该topic,从而建立起sub-pub之间的通信。注意整个过程是单向的。subscriber接收消息会进行处理，一般这个过程叫作回调(Callback)。所谓回调就是提前定义好一个处理函数(写在代码中),当有消息来时就会触发这个处理函数，函数会对消息进行处理。03topic图8.4所示为ROS的topic通信方式的流程示意图。topic通信属于一种异步的通信方式。下面我们通过一个示例来了解如何使用topic通信。03topic在实际应用中，我们应该熟悉topic的几种使用命令，表8.4所示为topic命令及作用。03service在这种情况下，就需要有另外一种请求-应答的通信模型。这节我们来介绍ROS通信中的另一种通信方式——service。为了解决以上问题，service方式在通信模型上与topic方式有些区别。service通信是双向的，它不仅可以发送消息，而且还会收到反馈。因此service包括两部分：一部分是请求方(Client),另一部分是应答方/服务提供方(Server)。这时请求方就会发送一个请求，要等待应答方处理，反馈一个回复，这样通过类似“请求-应答”的机制完成整个服务通信。我们知道topic是ROS中的一种单向的异步通信方式，然而有些时候单向的通信方式满足不了通信要求，如当一些节点只是临时而非周期性地需要某些数据时，如果用topic通信方式就会消耗大量不必要的系统资源，造成系统的低效率、高功耗。03serviceservice通信方式的示意图如图8.5所示。节点B是应答方，提供了一个服务的接口，叫作/service,我们一般都会用string类型来指定service的名称，类似于topic。节点A向节点B发布了请求，经过处理后得到了回复。service是同步通信方式，所谓同步就是说，此时节点A发布请求后会在原地等待回复，直到节点B处理完了请求并且完成了回复，节点A才会继续执行。节点A在等待过程中是处于阻塞状态的通信，这样的通信模型没有频繁的消总传递，没有冲突与高系统资源的占用，只有接受请求才执行服务，简单而且高效。03service在实际应用中，service通信方式的命令是rosservice,rosservice命令及作用如表8.5所示。03actionactionlib是ROS中一个很重要的库，类似service通信机制，actionlib也是一种请求应答机制的通信方式，actionlib主要弥补了service通信的一个不足，就是当机器人执行一个长时间的任务时，假如利用service通信，那么publisher会很长时间接收不到反馈的回复，致使通信受阻。当service通信不能很好地完成任务时，actionlib比较适合实现长时间的通信过程，actionlib通信过程可以随时被查看过程进度，也可以终止请求，这样的一个特性使得它在一些特别的机制中拥有很高的效率。action的工作原理是请求-应答模式，也是一个双向的通信模式。通信双方在ROSActionProtocol下通过消息进行数据的交流通信。请求方和应答方为用户提供一个简单的API来请求目标(在客户端)或通过函数调用和回调来执行目标(在服务器端)。04ROS工具PARTONE04仿真工具GazeboGazebo是一个机器人仿真工具、模拟器，也是一个独立的开源机器人仿真平台。当今市面上还有其他的仿真工具，如V-REP、Webots等，但是Gazeba不仅开源，也是兼容ROS最好的仿真工具。Gazebo