ROS-roscpp | Malloy Yuan的博客

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1. Client Library与roscpp

1.1. Client Library简介

ROS为机器人开发者们提供了不同语言的编程接口，比如C++接口叫做roscpp，Python接口叫做rospy，Java接口叫做rosjava。尽管语言不通，但这些接口都可以用来创建topic、service、param，实现ROS的通信功能。Clinet Lirary有点类似开发中的Helper Class，把一些常用的基本功能做了封装。

目前ROS支持的Clinet Library包括：

CLIENT LIBRARY	介绍
roscpp	ROS的C++库，是目前最广泛应用的ROS客户端库，执行效率高
rospy	ROS的Python库，开发效率高，通常用在对运行时间没有太大要求的场合，例如配置、初始化等操作
roslisp	ROS的LISP库
roscs	Mono/.NET.库，可用任何Mono/.NET语言，包括C#，Iron Python， Iron Ruby等
rosgo	ROS Go语言库
rosjava	ROS Java语言库
rosnodejs	Javascript客户端库
...	...

目前最常用的只有roscpp和rospy，而其余的语言版本基本都还是测试版。

从开发客户端库的角度看，一个客户端库，至少需要能够包括master注册、名称管理、消息收发等功能。这样才能给开发者提供对ROS通信架构进行配置的方法。

整个ROS包括的packages如下，你可以看到roscpp、rospy处于什么位置。

1.2. roscpp

roscpp位于/opt/ros/kinetic之下，用C++实现了ROS通信。在ROS中，C++的代码是通过catkin这个编译系统（扩展的CMake）来进行编译构建的。所以简单地理解，你也可以把roscpp就当作为一个C++的库，我们创建一个CMake工程，在其中include了roscpp等ROS的libraries，这样就可以在工程中使用ROS提供的函数了。

通常我们要调用ROS的C++接口，首先就需要#include 。

roscpp的主要部分包括：

ros::init() : 解析传入的ROS参数，创建node第一步需要用到的函数

ros::NodeHandle : 和topic、service、param等交互的公共接口

ros::master : 包含从master查询信息的函数

ros::this_node：包含查询这个进程(node)的函数

ros::service：包含查询服务的函数

ros::param：包含查询参数服务器的函数，而不需要用到NodeHandle

ros::names：包含处理ROS图资源名称的函数

具体可见：http://docs.ros.org/api/roscpp/html/index.html

以上功能可以分为以下几类：

Initialization and Shutdown 初始与关闭

Topics 话题

Services 服务

Parameter Server 参数服务器

Timers 定时器

NodeHandles 节点句柄

Callbacks and Spinning 回调和自旋（或者翻译叫轮询？）

Logging 日志

Names and Node Information 名称管理

Time 时钟

Exception 异常

看到这么多接口，千万别觉得复杂，我们日常开发并不会用到所有的功能，你只需对要有一些印象，掌握几个比较常见和重要的用法就足够了。下面我们来介绍关键的用法。

2. 节点初始、关闭以及NodeHandle

当执行一个ROS程序，就被加载到了内存中，就成为了一个进程，在ROS里叫做节点。每一个ROS的节点尽管功能不同，但都有必不可少的一些步骤，比如初始化、销毁，需要通行的场景通常都还需要节点的句柄。这一节我们来学习Node最基本的一些操作。

2.1. 初始化节点

对于一个C++写的ROS程序，之所以它区别于普通C++程序，是因为代码中做了两层工作：

调用了ros::init()函数，从而初始化节点的名称和其他信息，一般我们ROS程序一开始都会以这种方式开始。

创建ros::NodeHandle对象，也就是节点的句柄，它可以用来创建Publisher、Subscriber以及做其他事情。

句柄(Handle)这个概念可以理解为一个“把手”，你握住了门把手，就可以很容易把整扇门拉开，而不必关心门是什么样子。NodeHandle就是对节点资源的描述，有了它你就可以操作这个节点了，比如为程序提供服务、监听某个topic上的消息、访问和修改param等等。

2.2. 关闭节点

通常我们要关闭一个节点可以直接在终端上按Ctrl+C，系统会自动触发SIGINT句柄来关闭这个进程。你也可以通过调用ros::shutdown()来手动关闭节点，但通常我们很少这样做。

以下是一个节点初始化、关闭的例子。

这段代码是最常见的一个ROS程序的执行步骤，通常要启动节点，获取句柄，而关闭的工作系统自动帮我们完成，如果有特殊需要你也可以自定义。你可能很关心句柄可以用来做些什么，接下来我们来看看NodeHandle常用的成员函数。

2.3. NodeHandle常用成员函数

NodeHandle是Node的句柄，用来对当前节点进行各种操作。在ROS中，NodeHandle是一个定义好的类，通过include，我们可以创建这个类，以及使用它的成员函数。

NodeHandle常用成员函数包括：

可以看出，NodeHandle对象在ROS C++程序里非常重要，各种类型的通信都需要用NodeHandle来创建完成。下面我们具体来看topic、service和param这三种基本通信方式的写法。

3. topic in roscpp

3.1. Topic通信

Topic是ROS里一种异步通信的模型，一般是节点间分工明确，有的只负责发送，有的只负责接收处理。对于绝大多数的机器人应用场景，比如传感器数据收发，速度控制指令的收发，Topic模型是最适合的通信方式。

为了讲明白topic通信的编程思路，我们首先来看topic_demo中的代码,这个程序是一个消息收发的例子：自定义一个类型为gps的消息（包括位置x，y和工作状态state信息），一个node以一定频率发布模拟的gps消息，另一个node接收并处理，算出到原点的距离。 源代码见ROS-Academy-for-Beginners/topic_demo

3.2. 创建gps消息

在代码中，我们会用到自定义类型的gps消息，因此就需要来自定义gps消息，在msg路径下创建gps.msg：见topic_demo/msg/gps.msg

以上就定义了一个gps类型的消息，你可以把它理解成一个C语言中的结构体，类似于

在程序中对一个gps消息进行创建修改的方法和对结构体的操作一样。

当你创建完了msg文件，记得修改CMakeLists.txt和package.xml，从而让系统能够编译自定义消息。在CMakeLists.txt中需要改动

package.xml中需要的改动

当你完成了以上所有工作，就可以回到工作空间，然后编译了。编译完成之后会在devel路径下生成gps.msg对应的头文件，头文件按照C++的语法规则定义了topic_demo::gps类型的数据。

要在代码中使用自定义消息类型，只要#include ，然后声明，按照对结构体操作的方式修改内容即可。

3.3. 消息发布节点

定义完了消息，就可以开始写ROS代码了。通常我们会把消息收发的两端分成两个节点来写，一个节点就是一个完整的C++程序。

见topic_demo/src/talker.cpp

机器人上几乎所有的传感器，几乎都是按照固定频率发布消息这种通信方式来传输数据，只是发布频率和数据类型的区别。

3.4. 消息接收节点

见topic_demo/src/listener.cpp

在topic接收方，有一个比较重要的概念，就是回调(CallBack)，在本例中，回调就是预先给gps_info话题传来的消息准备一个回调函数，你事先定义好回调函数的操作，本例中是计算到原点的距离。只有当有消息来时，回调函数才会被触发执行。具体去触发的命令就是ros::spin()，它会反复的查看有没有消息来，如果有就会让回调函数去处理。

因此千万不要认为，只要指定了回调函数，系统就回去自动触发，你必须ros::spin()或者ros::spinOnce()才能真正使回调函数生效。

3.5. CMakeLists.txt文件修改

在CMakeLists.txt添加以下内容，生成可执行文件

以上cmake语句告诉catkin编译系统如何去编译生成我们的程序。这些命令都是标准的cmake命令，如果不理解，请查阅cmake教程。

之后经过catkin_make，一个自定义消息+发布接收的基本模型就完成了。

3.6. 扩展：回调函数与spin()方法

回调函数在编程中是一种重要的方法，在维基百科上的解释是：

回调函数作为参数被传入到了另一个函数中（在本例中传递的是函数指针），在未来某个时刻（当有新的message到达），就会立即执行。Subscriber接收到消息，实际上是先把消息放到一个队列中去，如图所示。队列的长度在Subscriber构建的时候设置好了。当有spin函数执行，就会去处理消息队列中队首的消息。

spin具体处理的方法又可分为阻塞/非阻塞,单线程/多线程，在ROS函数接口层面我们有4种spin的方式：

SPIN方法	阻塞	线程
`ros::spin()`	阻塞	单线程
`ros::spinOnce()`	非阻塞	单线程
`ros::MultiThreadedSpin()`	阻塞	多线程
`ros::AsyncMultiThreadedSpin()`	非阻塞	多线程

阻塞与非阻塞的区别我们已经讲了，下面来看看单线程与多线程的区别：

我们常用的spin()、spinOnce()是单个线程逐个处理回调队列里的数据。有些场合需要用到多线程分别处理，则可以用到MultiThreadedSpin()、AsyncMultiThreadedSpin()。

4. service in roscpp

4.1. Service通信

Service是一种请求-反馈的通信机制。请求的一方通常被称为客户端，提供服务的一方叫做服务器端。Service机制相比于Topic的不同之处在于：

消息的传输是双向的，有反馈的，而不是单一的流向。

消息往往不会以固定频率传输，不连续，而是在需要时才会向服务器发起请求。

在ROS中如何请求或者提供一个服务，我们来看service_demo的代码：一个节点发出服务请求（姓名，年龄），另一个节点进行服务响应，答复请求。

4.2. 创建Greeting服务

创建service_demo/Greeting.srv文件，内容包括：

srv格式的文件创建后，也需要修改CMakeLissts.txt,在其中加入

其余与添加msg的改动一样。然后进行catkin_make，系统就会生成在代码中可用的Greeting类型。在代码中使用,只需要#include ，然后即可创建该类型的srv。

新生成的Greeting类型的服务，其结构体的风格更为明显，可以这么理解，一个Greeting服务结构体中嵌套了两个结构体，分别是请求和响应：

4.3. 创建提供服务节点(server)

service_demo/srv/server.cpp内容如下：

在以上代码中，服务的处理操作都写在handle_function()中，它的输入参数就是Greeting的Request和Response两部分，而非整个Greeting对象。通常在处理函数中，我们对Requst数据进行需要的操作，将结果写入到Response中。在roscpp中，处理函数返回值是bool型，也就是服务是否成功执行。不要理解成输入Request，返回Response，在rospy中是这样的。

4.4. 创建服务请求节点(client)

service_demo/srv/client.cpp内容如下：

以上代码比较关键的地方有两处，一个是建立一个ServiceClient，另一个是开始调用服务。建立client需要用nh.serviceClient("greetings")，指明服务的类型和服务的名称。而调用时可以直接用client.call(srv)，返回结果不是response，而是是否成功调用远程服务。

CMakeLists.txt和pacakge.xml修改方法和topic_demo修改方法类似，不再赘述。

5. param in roscpp

5.1. Parameter Server

严格来说，param并不能称作一种通信方式，因为它往往只是用来存储一些静态的设置，而不是动态变化的。所以关于param的操作非常轻巧，非常简单。关于param的API，roscpp为我们提供了两套，一套是放在ros::paramnamespace下，另一套是在ros::NodeHandle下，这两套API的操作完全一样，用哪一个取决于你的习惯。

5.2. param_demo

我们来看看在C++中如何进行param_demo的操作，param_demo/param.cpp文件，内容包括：

以上是roscpp中对param进行增删改查所有操作的方法，非常直观。

5.3. param_demo中的launch文件

实际项目中我们对参数进行设置，尤其是添加参数，一般都不是在程序中，而是在launch文件中。因为launch文件可以方便的修改参数，而写成代码之后，修改参数必须重新编译。因此我们会在launch文件中将param都定义好，比如这个demo正确的打开方式应该是roslaunch param_demo param_demo_cpp.launch

param_demo/launch/param_demo_cpp.launch内容为：

通过和两个标签我们设置好了5个param，从而在之前的代码中进行增删改查的操作。

5.4. 命名空间对param的影响

在实际的项目中，实例化句柄时，经常会看到两种不同的写法 ros::NodeHandle n; ros::NodeHandle nh("~");` 这两种写法有什么不同呢？以本教学报的name_demo为例。在本节launch文件夹的demo.launch定义两个参数，一个全局serial 他的数值是5,一个是局部的serial，他的数值是10.

在name_demo.cpp中，我们分别尝试了，利用全局命名空间句柄提取全局的param和局部的param，以及在局部命名空间下的句柄提取全局的param和局部的param，详细的代码如下：

最后的结果

6. 时钟

6.1. Time 与 Duration

ROS里经常用到的一个功能就是时钟，比如计算机器人移动距离、设定一些程序的等待时间、设定计时器等等。roscpp同样给我们提供了时钟方面的操作。具体来说，roscpp里有两种时间的表示方法，一种是时刻（ros::Time），一种是时长（ros::Duration）。无论是Time还是Duration都具有相同的表示方法： ··· int32 sec int32 nsec ··· Time/Duration都由秒和纳秒组成。要使用Time和Duration，需要#include 和#include

Time和Duration表示的概念并不相同，Time指的是某个时刻，而Duration指的是某个时段，尽管他们的数据结构都相同，但是用在不同的场景下。 ROS为我们重载了Time、Duration类型之间的加减运算，比如:

以上是Time、Duration之间的加减运算，要注意没有Time+Time的做法。

6.2. sleep

通常在机器人任务执行中可能有需要等待的场景，这时就要用到sleep功能，roscpp中提供了两种sleep的方法：

6.3. Timer

Rate的功能是指定一个频率，让某些动作按照这个频率来循环执行。与之类似的是ROS中的定时器Timer，它是通过设定回调函数和触发时间来实现某些动作的反复执行，创建方法和topic中的subscriber很像。