前言
系统环境: Ubuntu 18.04，硬盘安装。
ROS版本: melodic
深蓝学院（古月居）胡春旭ROS理论与实践笔记整理。
1. Launch启动文件
使用一个终端，一个语句，即可实现多节点的启动和配置。使用Launch文件时不需要roscore。
Launch启动文件的标签如下:
| 标签名 |
说明 |
使用范例 |
<launch> |
launch文件中的根元素采用launch标签定义 |
<launch>...</launch> |
<node> |
启动节点 |
<node pkg="package-name" type = "executable-name"/> |
| pkg |
节点所在的功能包名称 |
在node标签中，pkg="package-name" |
| type |
节点的可执行文件名称 |
在node标签中，type = "executable-name" |
| name |
节点运行时的名称，会替换掉ros::init中设置好的节点名 |
在node标签中，name = "talker" |
| output |
表示节点的日志是否在终端显示 |
在node标签中，output="screen" |
| respawn |
节点运行失败时自动重启 |
在node标签中，respawn = "true" |
| required |
修饰的节点是启动的必须项，启动失败就会报错 |
在node标签中，required = "true" |
| ns |
给节点设置一个命名空间 |
<rosparam file = "params.yaml" command = "load" ns = "params/">
前面就会多一个"params/"的命名空间。 |
| args |
通过命令行给main函数传递的参数 |
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<param>与<rosparam> |
设置ROS系统运行中的参数，全局变量，存储在参数服务器中 |
<param name = "output_frame" value = "odom"/>
<rosparam file = "params.yaml" command = "load" ns = "params/"> |
<arg> |
launch文件内部的局部变量，仅限于launch文件使用 |
<arg name = "arg-name" default = "arg-value"/>
调用:
<param name = "foo" value = "$(arg arg-name)"/>
<node name="node" pkg = "package" type = "type" args = "$(arg arg-name)"/> |
<remap> |
重映射ROS计算图资源的命名 |
<remap from = "/turtlebot/cmd_vel" to="/cmd_vel"/> |
<include> |
包含其他launch文件，类似C语言中的头文件包含。
file:包含的其他launch文件路径 |
<include file="$(dirname)/other.launch"> |
更多标签：ROS wiki
launch文件示例与分析：
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| <launch>
<node pkg="learning_communication" type="person_subscriber" name="talker" />
<node pkg="learning_communication" type="person_publisher" name="listener" />
</launch>
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| <launch>
<param name="/turtle_number" value="2"/>
<arg name="TurtleName1" default="Tom" />
<arg name="TurtleName2" default="Jerry" />
<node pkg="turtlesim" type="turtlesim_node" name="turtlesim_node">
<param name="turtle_name1" value="$(arg TurtleName1)"/>
<param name="turtle_name2" value="$(arg TurtleName2)"/>
<rosparam file="$(find learning_launch)/config/param.yaml" command="load"/>
</node>
<node pkg="turtlesim" type="turtle_teleop_key" name="turtle_teleop_key" output="screen"/>
</launch>
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其中的param.yaml为：
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| A: 123
B: "hello"
group:
C: 456
D: "hello"
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此时调用rosparam list，可以查看设置好的全局变量：
调用rosparam get可以查看全局变量具体的值：
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| <launch>
<include file="$(find learning_launch)/launch/simple.launch" />
<node pkg="turtlesim" type="turtlesim_node" name="turtlesim_node">
<remap from="/turtle1/cmd_vel" to="/cmd_vel"/>
</node>
</launch>
|
此时运行rostopic list，就会发现，原来名为/turtle1/cmd_vel的话题已经变成了/cmd_vel。
$(find ...)是用来定位到一个package，增强了项目的可移植性。若想在自己的项目中实现find，需要有CMakeLists.txt和package.xml，并对这两个文件进行编辑。参考：实现launch中的find位置
2. Modeling in Robotics基础
理解TF功能包的基础知识。
2.1 欧拉角
欧拉角的表示：先绕当前z轴旋转ϕ，再绕当前y轴旋转θ，再绕当前z轴旋转ψ。
展开:
最终化简为：
欧拉角的计算：对最后一列和最后一行元素利用正交性进行分类讨论：
情况一：若r33=±1，则θ=0有解，ϕ+θ的和为定值，存在无限多组解。
情况二：若 r332<1 ，则 θ,ϕ,θ 有解。
2.2 RPY
如果按照固定的世界坐标轴旋转，那么有两种RPY：
2.2 转轴/角度（轴角）
轴角的定义为:
给定任意一个旋转矩阵R，转角 θ 和转轴 k 可由下列式子得到:
2.2 四元数
老欧的ppt中，四元数由转轴/角度表示法定义而来，类似于欧拉角，是一种姿态的表示方式：
2.3 刚性转动
刚性变换可由齐次变换(homogeneous transformation)矩阵来表示。齐次变换矩阵是一个具有 O=[R0d1],R∈SO(3);d∈R3 形式的4×4的矩阵。具体分解可看老欧ppt：
3 TF功能包
- TF功能包能干什么？
- 五秒钟之前，机器人头部坐标系相对于全局坐标系的关系是什么样的？
- 机器人夹取的物体相对于机器人中心坐标系的位置在哪里？
- 机器人中心坐标系相对于全局坐标系的位置在哪里？
- TF坐标变换如何实现?
3.1 查看TF树
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| $ sudo apt-get install ros-melodic-turtle-tf
$ roslaunch turtle_tf turtle_tf_demo.launch
$ rosrun turtlesim turtle_teleop_key
$ rosrun tf view_frames
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- 在home文件夹下会出现一个frames.pdf：
3.2 查看齐次变换矩阵
查看两个海龟之间的rotation matrix R 和translation matrix d 可以使用命令行工具或者可视化工具。
设海龟1相对于海龟2的齐次变换矩阵为 H12 ，则 H12=H10×H02 。
其中角标0代表世界的基础矩阵base frame。
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$ rosrun tf tf_echo turtle1 turtle2
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结果：
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| $ rosrun rviz rviz -d `rospack find turtle_tf` /rviz/turtle_rviz.rviz
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3.3 如何实现一个tf广播器
- 定义TF广播器(TransformBroadcaster)
- 创建坐标变换值
- 发布坐标变换(SendTransform)
代码:
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#include <ros/ros.h>
#include <tf/transform_broadcaster.h>
#include <turtlesim/Pose.h>
std::string turtle_name;
void poseCallback(const turtlesim::PoseConstPtr& msg)
{
static tf::TransformBroadcaster br;
tf::Transform transform;
transform.setOrigin( tf::Vector3(msg->x, msg->y, 0.0) );
tf::Quaternion q;
q.setRPY(0, 0, msg->theta);
transform.setRotation(q);
br.sendTransform(tf::StampedTransform(transform, ros::Time::now(), "world", turtle_name));
}
int main(int argc, char** argv)
{
ros::init(argc, argv, "my_tf_broadcaster");
if (argc != 2)
{
ROS_ERROR("need turtle name as argument");
return -1;
}
turtle_name = argv[1];
ros::NodeHandle node;
ros::Subscriber sub = node.subscribe(turtle_name+"/pose", 10, &poseCallback);
ros::spin();
return 0;
};
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3.4 如何实现一个tf监听器
- 定义TF监听器;（TransformListener）
- 查找坐标变换;（waitForTransform、lookupTransform）
代码:
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#include <ros/ros.h>
#include <tf/transform_listener.h>
#include <geometry_msgs/Twist.h>
#include <turtlesim/Spawn.h>
int main(int argc, char** argv)
{
ros::init(argc, argv, "my_tf_listener");
ros::NodeHandle node;
ros::service::waitForService("/spawn");
ros::ServiceClient add_turtle = node.serviceClient<turtlesim::Spawn>("/spawn");
turtlesim::Spawn srv;
add_turtle.call(srv);
ros::Publisher turtle_vel = node.advertise<geometry_msgs::Twist>("/turtle2/cmd_vel", 10);
tf::TransformListener listener;
ros::Rate rate(10.0);
while (node.ok())
{
tf::StampedTransform transform;
try
{
listener.waitForTransform("/turtle2", "/turtle1", ros::Time(0), ros::Duration(3.0));
listener.lookupTransform("/turtle2", "/turtle1", ros::Time(0), transform);
}
catch (tf::TransformException &ex)
{
ROS_ERROR("%s",ex.what());
ros::Duration(1.0).sleep();
continue;
}
geometry_msgs::Twist vel_msg;
vel_msg.angular.z = 4.0 * atan2(transform.getOrigin().y(),
transform.getOrigin().x());
vel_msg.linear.x = 0.5 * sqrt(pow(transform.getOrigin().x(), 2) +
pow(transform.getOrigin().y(), 2));
turtle_vel.publish(vel_msg);
rate.sleep();
}
return 0;
};
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3.5 配置launch文件
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| <launch>
<node pkg="turtlesim" type="turtlesim_node" name="sim"/>
<node pkg="turtlesim" type="turtle_teleop_key" name="teleop" output="screen"/>
<node pkg="learning_tf" type="turtle_tf_broadcaster" args="/turtle1" name="turtle1_tf_broadcaster" />
<node pkg="learning_tf" type="turtle_tf_broadcaster" args="/turtle2" name="turtle2_tf_broadcaster" />
<node pkg="learning_tf" type="turtle_tf_listener" name="listener" />
</launch>
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4. 可视化显示与仿真工具
- 日志输出工具--
$ rqt_console
- 计算图可视化工具--
$ rqt_graph
- 数据绘图工具--
$ rqt_plot
- 图像渲染工具--
$ rqt_image_view
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$ rqt_console
$ rqt_graph
$ rqt_plot
$ rqt_image_view
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4.1 数据可视化界面Rviz
Rviz是一款三维可视化工具，可以很好的兼容基于ROS软件框架的机器人平台。
- 在rviz中，可以使用可拓展标记语言XML对机器人、周围物体等任意实物进行尺寸、质量、位置、材质、关节等属性的描述，并且在界面中呈现出来。
- 同时，rviz还可以通过图形化的方式，实时显示机器人传感器的信息、机器人的运动状态、周围环境的变化等信息。
- 总而言之，rviz通过机器人模型参数、机器人发布的传感信息等数据，为用户进行所有可检测信息的图形化显示。用户和开发者也可以在rviz的控制界面下，通过按钮、滑动条、数值等方式，控制机器人的行为。
- 启动：
基于rviz可以自定义人机交互界面。rviz是一个数据显示平台（需要数据）。
4.2 数据仿真界面Gazebo
Gazebo是一个数据仿真平台（创造数据）。它是一个三维动态物理仿真器，能准确高效的仿真在复杂的室内外环境下机器人群体。与游戏引擎类似，Gazebo能对一整套传感器进行高度逼真的物理仿真、为程序和用户提供交互接口。它典型的应用场景包括:
- 测试机器人算法
- 机器人的设计
- 现实情境下的回溯测试
- 启动:
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$ roslaunch gazebo_ros mud_world.launch
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- 为了保证模型加载顺利，需要提前将模型文件库下载并放置到
~/.gazebo/models下。下载地址
