初窥机器人操作系统 ros2

背景介绍

作为一个理工出生的人，从小就梦想自己能造机器人，能看到机器人与人共存的社会状态。但是技术壁垒是非常大的一个坎（加上自己也很懒，hhh）。

正不巧的是，在研究单片机去实现一些应用的时候，发现了机器人开发系统 ros，好家伙，这玩意儿可以用 python 作为开发语言，惊喜的是还有 JavaScript 的相关工具库。

话不多说，就是干！

环境搭建

第一步就是搭建 ros机器人系统，我选择了更新一点的 ros2，它在原来的架构的基础上添加了更多的拓展性，并且性能上也比原来的ros1要好很多，毕竟底层架构都变了。另外也为了与时俱进，我可不想在学了一年之后又要开始学习2。索性一步到位选了 ros2。

开发板的话我手头正好还有一块 香橙派zero3 拿来用，看看能不能把它的最后一滴性能给榨干。之前的文章我介绍过这块板子，总体算的上是物美价廉。

方法一：脚本安装（推荐）

接下来开始搭建流程，目前国内的话有个叫 鱼香ros 的博主有一个一键搭建脚本很好用，直接运行脚本，并且按提示操作即可。脚本如下：

wget http://fishros.com/install -O fishros && . fishros

建议选择 humble 版本，从官方文档的介绍来说，humble 版本最稳定并且支持的时间最长，当然如果想要体验最新版的快乐也可以试试 iron 和 jazzy 版本：

Jazzy Jalisco：
发布日期：2024年5月23日。
支持平台：Ubuntu 24.04 (Noble)、Windows 10 (Visual Studio 2019)、RHEL 9、macOS、Debian Bookworm。
生命周期：长期支持（LTS）版本，支持到2029年5月。
新特性：改进了与 Gazebo 的集成，新增了多个功能和改进，如 common_interfaces、image_transport、ros2cli、rosbag2 和 rviz2 的更新。

Iron Irwini：
发布日期：2023年5月23日。
支持平台：Ubuntu 22.04 (Jammy)、Windows 10 (Visual Studio 2019)、RHEL 9。
生命周期：短期支持，支持到2024年11月。

Humble Hawksbill：
发布日期：2022年5月23日。
支持平台：Ubuntu 22.04 (Jammy)、Windows 10 (Visual Studio 2019)、RHEL 8。
生命周期：长期支持（LTS）版本，支持到2027年5月

Galactic Geochelone：
发布日期：2021年5月23日。
支持平台：Ubuntu 20.04 (Focal)、Windows 10 (Visual Studio 2019)。
生命周期：短期支持，支持到2022年12月

Foxy Fitzroy：
发布日期：2020年6月5日。
支持平台：Ubuntu 20.04 (Focal)、MacOS 10.14 (Mojave)、Windows 10 (Visual Studio 2019)。
生命周期：长期支持（LTS）版本，支持到2023年6月

然后就是漫长的等待了，等待进度条结束即下载完成。

2. 方法二：命令行安装

2.1. 设置编码

$ sudo apt update && sudo apt install locales
$ sudo locale-gen en_US en_US.UTF-8
$ sudo update-locale LC_ALL=en_US.UTF-8 LANG=en_US.UTF-8 
$ export LANG=en_US.UTF-8

2.2. 修改源

这一步的作用主要是因为，Ubuntu 默认的镜像仓库源是国外，所以速度上会很慢，也有概率会连接不上。所以就需要修改它的源来提升速度。

$ sudo apt update && sudo apt install curl gnupg lsb-release 
$ sudo curl -sSL https://raw.githubusercontent.com/ros/rosdistro/master/ros.key -o /usr/share/keyrings/ros-archive-keyring.gpg 
$ echo "deb [arch=$(dpkg --print-architecture) signed-by=/usr/share/keyrings/ros-archive-keyring.gpg] http://packages.ros.org/ros2/ubuntu $(source /etc/os-release && echo $UBUNTU_CODENAME) main" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/ros2.list > /dev/null

2.3. 安装 ros2

$ sudo apt update
$ sudo apt upgrade
$ sudo apt install ros-humble-desktop

2.4. 修改环境变量

注意这里的 setup.bash 脚本是安装ros之后生成的，文件路引以ros的路径为主

$ source /opt/ros/humble/setup.bash
$ echo " source /opt/ros/humble/setup.bash" >> ~/.bashrc 

终端输入 ros2来测试是否安装成功：

案例1：hello world

这一步用来测试底层通信是否正常。首先创建一个发布者：

ros2 run demo_nodes_cpp talker

然后创建另外一个终端，创建一个订阅者

ros2 run demo_nodes_py listener

如果终端发布和订阅的信息正常打印说明通信没问题，以上就是设计模式里最基本的发布订阅模式。

案例2：会动的乌龟

这个是 ros 最经典的测试功能的项目。

1. 召唤乌龟

通过以下命令召唤出一只乌龟

ros2 run turtlesim turtlesim_node

它大概会是这个样子：

2. 添加摇杆

接下来就是让它动起来，另外开一个终端，执行以下命令，这句命令可以让你在键盘上通过方向键操作乌龟的行进方向：

ros2 run turtlesim turtle_teleop_key

3. 命令行控制乌龟

以下的代码是给乌龟（turtle1）发布一个命令，数据结构为geometry_msgs/msg/Twist，json 内容为具体传递的数据变量来控制乌龟的行动。

$ 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}}"

不出意外这个乌龟会开始做圆周运动，如下所示。

如果是想立刻控制乌龟执行某个指令，则可以使用：

# 乌龟会逆时针转动
ros2 action send_goal /turtle1/rotate_absolute turtlesim/action/RotateAbsolute "theta: 3"

4. 新增一个乌龟

以下代码的意思是创建一个 坐标为 x：2，y：2，z: 0.2,名字叫 Raphael 的乌龟。

ros2 service call /spawn turtlesim/srv/Spawn "{x: 2, y: 2, theta: 0.2, name: 'raphael'}"

5. 查看系统当前运行中节点

ros2 node list
# print
# /turtlesim
# ...

6. 查看系统某个节点详细信息

$ ros2 node info /turtlesim 

这个时候会打印出 /turtlesim 这个节点下的所有类型信息：

7. 录制动作和重放

# 开始录制
ros2 bag record /turtle1/cmd_vel
# 重放动作
ros2 bag play rosbag2_2022_04_11-17_35_40/

执行上述命令来操作之前录制的动作回放。

创建工作空间

第一步：创建一个 workspace 目录

这个目录可以是自己经常使用的一个文件夹，在这个文件夹创建一个工作空间，名字可以自定义，我这里取名就叫 ros2-turturial。

第二步：安装 rosdepc

ros 库的一个安装工具，会自动识别当前目录下所有的依赖并且自动安装：

sudo pip3 install rosdepc
sudo rosdepc init
rosdepc update
# 以下这行代码在工作空间根目录执行
rosdepc install -i --from-path src --rosdistro humble -y

执行完以上的代码，如果最后提示：#All required rosdeps installed successfully，工作空间就算是安装完依赖了。

如果出现无法下载的情况，试试执行：sudo apt-get update

第三步：安装 colcon

colcon 是ros 的编译工具，执行以下代码来完成项目的编译：

sudo apt install python3-colcon-ros
colcon build

当终端提示：Summary: 21 packages finished [4min 26s]，即为安装完成。

第四步：设置环境变量

这一步主要是为了能在每次进入终端的时候，让全局能够访问到我们的功能位置

echo " source ~/${你的工作空间路径}/install/local_setup.sh" >> ~/.bashrc

创建一个功能包

这个功能主要是当我们想要复用一个能力，或者是想把我们自己封装的一个能力分享给别人使用的时候。

就可以通过 build 一个功能包的方式去将它封装起来。在src目录下执行以下代码：

ros2 pkg create --build-type <build-type> <package_name>

• build-type： 如果使用C++或者C，那这里就跟ament_cmake，如果使用Python，就跟ament_python；
• package_name：包名称

用这个语句创建的功能包，一般从文件结构就可以分辨出来是用的 c 还是 python，从便利性上来说的话，c 需要二次编译，而 python 可以直接使用。但是性能上 python 肯定是不如 c 的。所以看情况取舍吧。

vscode 插件推荐

1. ros：代码提示
2. cmake：c++
3. IntelliCode：代码自动补全
4. Python：python代码提示
5. URDF：机器人模型文件识别
6. msg langurage support

参考

ros2

dev 的艺术空间