ROS构建Package和Node的教程

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ROS（机器人操作系统，Robot Operating System），是专为机器人软件开发所设计出来的一套电脑操作系统架构。它是一个开源的元级操作系统（后操作系统），提供类似于操作系统的服务，包括硬件抽象描述、底层驱动程序管理、共用功能的执行、程序间消息传递、程序发行包管理，它也提供一些工具和库用于获取、建立、编写和执行多机融合的程序。

ROS的运行架构是一种使用ROS通信模块实现模块间P2P的松耦合的网络连接的处理架构，它执行若干种类型的通讯，包括：

  • 基于服务的同步RPC（远程过程调用）通讯；
  • 基于Topic的异步数据流通讯，还有参数服务器上的数据存储。

ROS可与PX4一起用于飞行器的外部控制, 它使用MAVROS节点与在硬件上运行的PX4或使用Gazebo Simulator进行通信。MAVROS节点的安装请参考Ubuntu16.04安装MAVROS，下面以编写基于MAVROS的外部控制节点为例，介绍ROS包和节点的构建过程。

ROS包构建方法

catkin和rosbuild是构建ROS包的两种方法。目前多用catkin构建ros包。

catkin包可以构建为独立项目，与构建普通cmake项目的方式相同，但catkin还提供了工作空间的概念，您可以在其中同时构建多个相互依赖的包。

ROS包构成

ROS包是其代码组织的一种高级结构好哦，最简单的catkin包的构成如下：

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my_package/
  CMakeLists.txt
  package.xml

其中:

  • 包必须包含一个符合catkin的package.xml文件。
    • 该package.xml文件提供有关包的元信息。
  • 包必须包含一个使用catkin的CMakeLists.txt。
    • 如果它是catkin元数据包，它必须具有相关的样板CMakeLists.txt文件。
  • 包都必须有自己的文件夹。
    • 这意味着没有嵌套包，也没有多个包共享同一目录。

catkin工作空间的构成

使用catkin软件包的推荐方法是使用catkin工作区，但您也可以独立构建catkin软件包。 一个简单的工作空间可能如下所示：

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workspace_folder/        -- WORKSPACE
  src/                   -- SOURCE SPACE
    CMakeLists.txt       -- 'Toplevel' CMake file, provided by catkin
    package_1/
      CMakeLists.txt     -- CMakeLists.txt file for package_1
      package.xml        -- Package manifest for package_1
    ...
    package_n/
      CMakeLists.txt     -- CMakeLists.txt file for package_n
      package.xml        -- Package manifest for package_n

创建catkin包

通常使用catkin_create_pkg命令创建新的catkin包，具体步骤如下：

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$ mkdir -p ~/catkin_ws/src
$ cd ~/catkin_ws/src
# 创建名为offboard的ros包，它依赖roscpp、mavros和geometry_msgs
$ catkin_create_pkg offboard roscpp mavros geometry_msgs
$ cd offboard/src/
# 创建offboard_node.cpp，将官方PX4外部控制例程代码写入该文件
# 该文件也是offboard包的第一个node
$ touch offboard_node.cpp

offboard_node.cpp文件的具体内容如下：

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/**
 * @file offb_node.cpp
 * @brief Offboard control example node, written with MAVROS version 0.19.x, PX4 Pro Flight
 * Stack and tested in Gazebo SITL
 */

#include <ros/ros.h>
#include <geometry_msgs/PoseStamped.h>
#include <mavros_msgs/CommandBool.h>
#include <mavros_msgs/SetMode.h>
#include <mavros_msgs/State.h>

mavros_msgs::State current_state;
void state_cb(const mavros_msgs::State::ConstPtr& msg){
    current_state = *msg;
}

int main(int argc, char **argv)
{
    ros::init(argc, argv, "offb_node");
    ros::NodeHandle nh;

    ros::Subscriber state_sub = nh.subscribe<mavros_msgs::State>
            ("mavros/state", 10, state_cb);
    ros::Publisher local_pos_pub = nh.advertise<geometry_msgs::PoseStamped>
            ("mavros/setpoint_position/local", 10);
    ros::ServiceClient arming_client = nh.serviceClient<mavros_msgs::CommandBool>
            ("mavros/cmd/arming");
    ros::ServiceClient set_mode_client = nh.serviceClient<mavros_msgs::SetMode>
            ("mavros/set_mode");

    //the setpoint publishing rate MUST be faster than 2Hz
    ros::Rate rate(20.0);

    // wait for FCU connection
    while(ros::ok() && !current_state.connected){
        ros::spinOnce();
        rate.sleep();
    }

    geometry_msgs::PoseStamped pose;
    pose.pose.position.x = 0;
    pose.pose.position.y = 0;
    pose.pose.position.z = 2;

    //send a few setpoints before starting
    for(int i = 100; ros::ok() && i > 0; --i){
        local_pos_pub.publish(pose);
        ros::spinOnce();
        rate.sleep();
    }

    mavros_msgs::SetMode offb_set_mode;
    offb_set_mode.request.custom_mode = "OFFBOARD";

    mavros_msgs::CommandBool arm_cmd;
    arm_cmd.request.value = true;

    ros::Time last_request = ros::Time::now();

    while(ros::ok()){
        if( current_state.mode != "OFFBOARD" &&
            (ros::Time::now() - last_request > ros::Duration(5.0))){
            if( set_mode_client.call(offb_set_mode) &&
                offb_set_mode.response.mode_sent){
                ROS_INFO("Offboard enabled");
            }
            last_request = ros::Time::now();
        } else {
            if( !current_state.armed &&
                (ros::Time::now() - last_request > ros::Duration(5.0))){
                if( arming_client.call(arm_cmd) &&
                    arm_cmd.response.success){
                    ROS_INFO("Vehicle armed");
                }
                last_request = ros::Time::now();
            }
        }

        local_pos_pub.publish(pose);

        ros::spinOnce();
        rate.sleep();
    }

    return 0;
}

之后需要修改~/catkin_ws/src/offboard目录下的CMakeLists.txt文件。取消掉一些注释，生成相应节点（否则会出现找不到节点的错误）。

修改CMakeLists.txt文件

构建catkin包

在catkin工作空间（catkin_ws）中，使用catkin_make工具从源文件构建和安装一个包：

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$ cd ~/catkin_ws
$ catkin_make
$ catkin_make install
# 配置catkin工作空间，使ros能找到刚生成的offboard包
$ source devel/setup.bash
# 查看ros包路径环境变量是否配置好
$ echo $ROS_PACKAGE_PATH

参考链接

  1. Ubuntu16.04安装MAVROS,by jackhuang.
  2. Creating a ROS Package, by ros homepage.
  3. Building a ROS Package, by ros homepage.
  4. Understanding ROS Nodes, by ros homepage.
  5. catkin 与 rosbuild解析及两者区别和联系,by Xuefeng_BUPT.
  6. Pixhawk原生固件PX4之SITL软件在环仿真,by FantasyJXF.
  7. Pixhawk原生固件PX4之offboard,by FantasyJXF.
  8. MAVROS Offboard control example, by dronecode.