ROS编写第一个发布器(Publisher)

在上一篇文章中咱们安装好了ROS环境。本篇文章咱们将熟悉ROS中的一些概念（Concept），并尝试使用C++来实现一个发布器(Publisher)和一个订阅器(Subscriber)。

该文章是我的学习ROS的过程记录，参考的书是中文版《ROS机器人编程：原理与应用》，英文版为A Systematic Approach to Learning Robot Programming with ROS，该书代码托管在做者wsnewman的github上，感谢做者的辛苦付出。

该篇文章分为如下几个部分：

1. ROS概念
2. 在ROS中实现一个发布器
3. 运行你的发布器

1. ROS

我仅仅列举了几个本篇文章将会涉及到的概念，这些概念的定义来源于ROS Wiki，有兴趣能够进一步深刻了解。

1.1 ROS 文件系统

主要是介绍在ROS中的文件组织方式，相似于Python中包(Package)的文件组织形式。

• Packages: ROS包是ROS中程序的主要组织单元，在一个包中可能包含一系列相关的节点（nodes)，ROS依赖库，配置文件等等。ROS包是你能够编译及发行的最小单元了，大部分时候你执行编译操做时即是在编译包。
• Package.xml: 主要是用来描述包，提供关于包的一些信息，包括包名称，版本，简述，版权信息，依赖等等。
• 消息类型：对话题(topic)中的消息进行定义，以便发布器/订阅器都能正确编码/解码字节流。

1.2 ROS概念

• 节点(Nodes): 节点就是可执行文件，该可执行文件多是你使用roscpp或者rospy建立的。
• Master: 在上一篇文章中咱们运行过命令roscore该命令的做用之一就是启动ROS Master，Master主要是提供名称注册与解析，以便每一个节点能够经过名称来找到另外的节点。

• 消息(message)：节点经过消息来完成彼此之间的交流，消息是一个相似于struct的数据结构，其中可能包含几个字段。举个例子：在路径/opt/share/melodic/share/std_msgs/msg(若是你是像我上篇文章中那样安装的)中，你能够看到许多的消息定义，打开一个好比说ColorRGBA.msg，内容以下:

  float32 r;
  float32 g;
  float32 b;
  float32 a;

• 话题(topic): 话题由话题名(topic name)表示，你能够把它想象为一个邮箱，发布器认为我只须要把消息投放到邮箱里就好了，而订阅器认为我只须要去这个邮箱拿消息就好了，由于节点交流的本质是传递消息，话题只是指明一个双方约定好的交流路径。整个过程能够以下的图来表示

2. 在ROS中实现一个发布器

2.1 建立工做区和包

在编写ROS程序以前，首先要建议一个ROS工做区，以后的编写工做都将在该工做区下进行，工做区有必定的格式，你能够选择在你的home目录下建立，依次输入如下几行命令

mkdir -p ~/catkin_ws/src # 建立工做区
cd ~/catkin_ws/src # 进入工做区
# catkin_create_pkg package_name(包名称) dependencies（依赖)
catkin_create_pkg my_minimal_node roscpp std_msgs #新建一个ROS包

建立完成之后，咱们能够看到在目录my_minimal_node下多了两个文件(package.xml ,CMakeLists.txt)和两个文件夹(src, include)。

其中的package.xml即是以前提到的ROS包配置文件，描述关于包的信息。CMakeLists.txt是用来配置编译过程，这是本篇文章所主要使用的两个文件。

2.2 修改package.xml

首先咱们来修改package.xml，在编辑器中打开该文件，能够看到文件中包含了大量的注释，这些注释都是来指导你该如何书写该文件。

通常说来咱们应该包括<name>，<version>，<description>，<maintanner>，<license>，<author>，<build_depend>，<build_export_depend>， <exec_depend>即可以了，这部分你们能够按照本身的信息进行修改。

修改后的package.xml相似于下面的内容，固然你也能够不修改，对于这一篇内容来讲，这可有可无。

<?xml version="1.0"?>
<package format="2">
  <name>my_minimal_node</name>
  <version>0.1.0</version>
  <description>The my_minimal_node package</description>
  <maintainer email="gnc@todo.todo">gnc</maintainer>
  <license>MIT</license>
  <author email="sharku">Jane Doe</author>
  <buildtool_depend>catkin</buildtool_depend>
  <build_depend>roscpp</build_depend>
  <build_depend>std_msgs</build_depend>
  <build_export_depend>roscpp</build_export_depend>
  <build_export_depend>std_msgs</build_export_depend>
  <exec_depend>roscpp</exec_depend>
  <exec_depend>std_msgs</exec_depend>
</package>

2.3 编写第一个简单的ROS程序-发布器

进入到目录~/catkin_ws/src/my_minimal_node/下，在该目录下的src文件夹建立minimal_publisher.cpp，内容以下，代码内容也能够在文章最开始给出的github中找到。

#include <ros/ros.h>
#include <std_msgs/Float64.h>

int main(int argc, char **argv) {
    ros::init(argc, argv, "minimal_publisher"); // 初始化节点名
    ros::NodeHandle n; // 
    ros::Publisher my_publisher_object = n.advertise<std_msgs::Float64>("topic1", 1); // 建立一个发布器，调用advertise通知ROS Master话题名称以及话题类型
    //"topic1" 是话题名
    // 参数 "1" 是queue_size，表示缓冲区大小
    
    std_msgs::Float64 input_float; // 建立一个发布器将要使用的消息变量
    // 该消息定义在： /opt/ros/indigo/share/std_msgs
    // 在ROS中发布的消息都应该提早定义，以便订阅者接收到消息后该如何解读
    // Float64消息的定义以下，其中包含一个数据字段data：
    // float64 data
    
    input_float.data = 0.0; // 设置数据字段
    
    
    // 程序所要作的工做将在下面的循环里完成
    while (ros::ok()) 
    {
        // 该循环没有sleep，所以将一直处于运行状态，不断消耗CPU资源
        input_float.data = input_float.data + 0.001; //每循环一次+0.01
        my_publisher_object.publish(input_float); // 发布消息到对应的话题
    }
}

代码中，#include <ros/ros.h>表示包含ROS头文件，#include <std_msgs/Float64.h>表示包含标准消息类型中的Float64，它的具体类型是float64。

在上述代码中，在main函数中，首先对ROS进行初始化，调用ros::init定义了节点名称。而后定义了 ros::NodeHandle该变量用来建立一个发布者，经过调用函数.advertise，表示向Master声明我要注册一个话题名为topic1，而后我将会向该话题发布消息，而后返回一个发布器对象。随后咱们即可以调用该发布器的.publish来进行消息的发布。

其他部分的解释能够看代码中的注释。

2.4 修改CMakeLists.txt文件

在编写了发布器的程序之后，咱们还必须在CMakeLists文件中进行声明，以便让编译器知道应该编译新增的文件。

在CMakeLists文件的最后一行加入下面两行代码：

add_executable(my_minimal_publisher src/minimal_publisher.cpp) # 第一个参数是生成后的可执行文件名 第二个参数
# 是源文件路径名
target_link_libraries(my_minimal_publisher ${catkin_LIBRARIES}) # 连接库

而后关闭文件，打开终端，导航到目录~/catkin_ws/下，运行命令catkin_make便可编译咱们刚刚建立的文件。

有可能你的输出结果和我这里显示的不一样，由于我已经编译过了，因此编译器没有执行任何动做。

3. 运行你的发布器

在上面的编译过程没有出现问题的状况下，那么你的编译就成功了，接下来咱们来运行咱们刚刚编写的发布器。

3.1 将工做区路径加入你的终端

相似于$PATH变量，ROS也有本身的路径变量，用来搜索全部的ROS包，由于到这里咱们尚未将咱们的ROS包加入到ROS路径中去，所以在运行的时候会找不到咱们的ROS包。

不过幸运的是，ROS帮咱们生成了一个方便的编译脚本，位于路径~/catkin_ws/devel/setup.bash下。若是咱们直接运行source ~/catkin_ws/devel/setup.bash那么只会在当前的终端下生效，当你从新打开一个终端，又会无效。所以，咱们须要将上面的命令加入到启动脚本中，运行下面的命令完成：

echo "source  ~/catkin_ws/devel/setup.bash" >>  ~/.bashrc

以后你的终端在启动时都将首先运行该命令，而后ROS就能够找到你的程序了。

3.2 启动发布器

打开终端，运行命令：

roscore # 启动ROS Master

而后运行：

rosrun my_minimal_node my_minimal_publisher # 启动发布器

启动之后，尽管看起来什么都没有发生，可是事实上发布器已经在不断发布消息了。下面咱们用ros工具来查看该发布器。

运行命令：

rosnode list # rosnode list 用来列出当前ROS中运行的节点名

咱们能够获得当前ROS系统运行的节点名称，能够看到咱们初始化的节点名称出如今了该列表中，证实咱们的发布器的确在运行中。

而后运行命令：

rostopic list # rostopic list 用来列出当前ROS中全部的话题名

一样能够看到咱们注册的话题名称topic1。

而后运行命令：

rostopic  hz /topic1 # rostopic hz 用来检查话题的发布频率

能够看到发布平均频率是3.3kHz，发布频率比较高，所以形成的问题是长时间占用CPU。以下图所示：

这一问题在以后咱们将使用sleep方法来设置一个合适的发布频率。

而后运行命令：

rostopic echo -n1 /topic1 # rostopic echo 用来显示话题的消息 -n1表明只接收一次

能够看出输出值为192239.12749，所以经过简单的计算即可以得出程序已经循环了19223912次左右。

视频

ROS编写第一个发布器程序

以上全部过程我录制了一个视频，在浏览文章过程当中若是遇到问题，您能够查看视频来看看我是怎么作的。