【ROS理论与实践】第4讲：ROS常用组件工具
一、Launch启动文件
从前面几篇文章可以看到，运行节点时需要手动在终端输入rosrun命令，而rosrun命令每次只能运行一个节点，且需要预先运行roscore命令。复杂机器人系统必然是有多个节点的，而多个节点运行时更是需要启动多个终端，可以看到该种启动方式甚是繁琐。那么有没有一种优雅的启动方式呢？答案是有的，就是接下来要介绍的Launch启动文件！
类似Linux中的启动脚本，不需要单独启动一个终端运行roscore命令来启动ROS Master，它会自动启动。
- name：会取代程序中ros::init初始化的节点名，当然name可以省略就默认是ros::init初始化的节点名
- output：节点的日志是否要在终端中去做输出，即日志使能开关，默认不会打印任何日志信息。
- respawn：节点运行失败，让其自动重启
- required：整个launch文件启动中，某个节点是必须的，如果这个节点启动不起来，程序就会报错。
- ns：设置命名空间（namespace）
- args：当做输入参数传递给可执行文件，通过main函数中的argc、argv去做读取
- pararm和是把参数存到ROS Master中的。而区别是：param每次只加载一个参数；rosparam可以加载整个文件中的所有参数。
- arg是仅限launch文件内部使用的局部变量。
turtlesim_parameter_config.launch
<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="$(find learning_launch)/config/param.yaml" command="load"/>
</node>
<node pkg="turtlesim" type="turtle_teleop_key" name="turtle_teleop_key" output="screen"/>
</launch>
理解launch文件，首先找node节点。
- 第一个node节点
turtlesim_node主要功能是启动了一个海龟仿真器。- 第二个node节点
turtle_teleop_key主要功能是启动了一个海龟键盘控制器，其中还加了output参数，代表要把这个node节点的日志信息，打印到终端上面！launch文件自动后，就可以通过键盘上的方向键控制海龟的移动。<param name="/turtle_number" value="2"/>这一行的turtle_number前面加上了/，表示是全局命名。
新开一个终端，输入
rosnode list可以列出当前ROS中的所有节点，这个节点名称可以跟launch文件中node标签下的那么属性对应，如：<node pkg="turtlesim" type="turtlesim_node" name="turtlesim_node">，那么必有一个节点名叫turtlesim_node，运行结果如下图：
注：可以自行更改一下node标签的name属性，验证一下节点名是否会改变！
新开一个终端，输入
rosparam list可以列出当前ROS中的所有参数名，这些都是存储在参数服务器 ROS Master 的参数，运行结果如下图：
不难发现，只有标签param和rosparam才能将参数存储到参数服务器ROS Master中。其中如果param和rosparam写到node标签下，还会将该节点名称默认当做参数命名空间。如上图中的turtle_num写到了node标签外，所以没有前面参数命名空间；而turtle_name1写到了节点turtlesim_node下，所以前面加上了turtlesim_node参数命名空间。
如果想看
rosparam list中的各个参数值，可以使用rosparam get 参数名，如：rosparam get /turtle_number，运行结果如下图：
当然这种一次只能查看一个参数值，如何查看到全部的参数值呢？一种方法是直接看launch文件的启动日志信息，具体启动方式见下文，这里截取启动的部分日志信息：
param.yaml
A: 123
B: "hello"
group:
C: 456
D: "hello"
param.yaml中的group表示为C和D设置的命名空间。
在终端输入
roslaunch learning_launch turtlesim_parameter_config.launch可以启动launch文件，log信息如下图所示：
turtlesim_remap.launch
<launch>
<include file="$(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>
simple.launch
<launch>
<node pkg="learning_communication" type="person_subscriber" name="listener" />
<node pkg="learning_communication" type="person_publisher" name="talker" />
</launch>
在终端输入
roslaunch learning_launch turtlesim_remap.launch可以启动launch文件，log信息如下图所示：
新开一个终端，输入
rostopic list可以列出当前ROS中的所有话题，如下图所示，可以看到通过重映射remap将话题名/turtle1/cmd_vel改成了/cmd_vel：
include标签的作用是将learning_launch功能包下simple.launch加了进来，该launch主要作用是将learning_communication功能包下的person_subscriber和person_publisher节点加了进来，并分别重命名为listener和talker。新开一个终端，输入rosnode list可以看到这两个节点，如下图：
此时想要海龟再动起来，主要需要发布的话题是
/cmd_vel，全部命令如下：rostopic pub -r 10 /cmd_vel geometry_msgs/Twist ...[Tab补全]，如下图所示：
二、TF坐标变换
两个坐标系的变换（旋转和平移），可以通过4x4的矩阵来描述！
ROS 提供的TF功能包可以方便我们获取任意两个坐标系之间的位置关系，TF功能包具有时间属性，可以保存10s内的任意坐标系之间的位置关系。在ROS当中，所有的坐标系关系都是通过树形结构来做管理的，可以通过树形结构来查询与根节点之间的位置关系，TF底层有一个tf_tree来保存说有坐标系的位置关系。
上图是TF的一个典型应用场景，当我们知道一个坐标系的数据，可以通过TF坐标变换快速得到另一个坐标系下的数据。
rosrun tf view_frames命令会监听五秒钟之内两只海龟的坐标系变化关系（TF），并把监听的数据保存到当前路径下的一个pdf文件中！通过PDF文件中的图可以直观的看到TF坐标系关系，首先在该仿真器中存在三个坐标系，分别是：world（全局坐标系）、turtle1（海龟1坐标系）和turtle2（海龟2坐标系），图中world是树的根节点，turtle1和turtle2通过箭头来描述与根节点world的位置关系。该程序底层规则是：海龟1在运动时，会不断广播Turtle1相对于world坐标系的位置关系，对应的箭头数据会不断发生变化。海龟2可以查询到海龟1相对于world坐标系的位置变化，并通过海龟2相对world的位置关系，从而得到海龟2相对海龟1的位置关系！
TF使用首先先让系统知道有Turtle1、Turtle2 和 world 这三个坐标系，以及Turtle1相对于world，以及Turtle2相对于world，它俩分别的关系是什么样的，然后才能查询Turtle1和Turtle2这两个坐标系之间的关系！查询之后，才能做速度指令的计算，这是一个基本的实验流程。
/**
* 该例程产生tf数据，并计算、发布turtle2的速度指令
*/
#include <ros/ros.h>
#include <tf/transform_broadcaster.h>
#include <turtlesim/Pose.h>
std::string turtle_name;
void poseCallback(const turtlesim::PoseConstPtr& msg)
{
// 创建tf的广播器
static tf::TransformBroadcaster br;
// 初始化tf数据
tf::Transform transform;
transform.setOrigin( tf::Vector3(msg->x, msg->y, 0.0) ); // 平移变换 x y z坐标；海龟在world坐标系下的坐标就相当于是海龟坐标系相对于world坐标系的坐标变化关系！
tf::Quaternion q;// 旋转
q.setRPY(0, 0, msg->theta); // 围绕z轴旋转，故x和y都为0 ；setRPY 可以把围绕三轴的旋转变成一个四元数，setRotation可以把四元数信息设置到坐标变换中来！
transform.setRotation(q);
// 广播world与海龟坐标系之间的tf数据
br.sendTransform(tf::StampedTransform(transform, ros::Time::now(), "world", turtle_name));
}
int main(int argc, char** argv)
{
// 初始化ROS节点
ros::init(argc, argv, "my_tf_broadcaster");
// 输入参数作为海龟的名字
if (argc != 2)
{
ROS_ERROR("need turtle name as argument");
return -1;
}
turtle_name = argv[1];
// 订阅海龟的位姿话题
ros::NodeHandle node;
ros::Subscriber sub = node.subscribe(turtle_name+"/pose", 10, &poseCallback);
// 循环等待回调函数
ros::spin();
return 0;
};
/**
* 该例程监听tf数据，并计算、发布turtle2的速度指令
*/
#include <ros/ros.h>
#include <tf/transform_listener.h>
#include <geometry_msgs/Twist.h>
#include <turtlesim/Spawn.h>
int main(int argc, char** argv)
{
// 初始化ROS节点
ros::init(argc, argv, "my_tf_listener");
// 创建节点句柄
ros::NodeHandle node;
// 请求产生turtle2
ros::service::waitForService("/spawn");
ros::ServiceClient add_turtle = node.serviceClient<turtlesim::Spawn>("/spawn");
turtlesim::Spawn srv;
add_turtle.call(srv);
// 创建发布turtle2速度控制指令的发布者
ros::Publisher turtle_vel = node.advertise<geometry_msgs::Twist>("/turtle2/cmd_vel", 10);
// 创建tf的监听器
tf::TransformListener listener;
ros::Rate rate(10.0);
while (node.ok())
{
// 获取turtle1与turtle2坐标系之间的tf数据
tf::StampedTransform transform;
try
{
listener.waitForTransform("/turtle2", "/turtle1", ros::Time(0), ros::Duration(3.0)); // 查询是否存在这两个坐标系
listener.lookupTransform("/turtle2", "/turtle1", ros::Time(0), transform); // 得到这两个坐标系的坐标变换结果
}
catch (tf::TransformException &ex)
{
ROS_ERROR("%s",ex.what());
ros::Duration(1.0).sleep();
continue;
}
// 根据turtle1与turtle2坐标系之间的位置关系，发布turtle2的速度控制指令
geometry_msgs::Twist vel_msg;
vel_msg.angular.z = 4.0 * atan2(transform.getOrigin().y(),
transform.getOrigin().x());//角速度
vel_msg.linear.x = 0.5 * sqrt(pow(transform.getOrigin().x(), 2) +
pow(transform.getOrigin().y(), 2)); // 线速度；sqrt计算欧氏距离，除以2s，相当于乘以0.5，得到速度
turtle_vel.publish(vel_msg);
rate.sleep();
}
return 0;
};
add_executable(turtle_tf_broadcaster src/turtle_tf_broadcaster.cpp)
target_link_libraries(turtle_tf_broadcaster ${catkin_LIBRARIES})
add_executable(turtle_tf_listener src/turtle_tf_listener.cpp)
target_link_libraries(turtle_tf_listener ${catkin_LIBRARIES})
<launch>
<!-- Turtlesim Node-->
<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>
三、可视化显示与仿真工具
上述模型下载网址已更改，如果下载可到我的 gitee 上，下载命令：
git clone https://gitee.com/ReCclay/gazebo_models.git
另外需要注意，默认不存在
models文件夹，需要自己手动创建下！在资源管理器中显示隐藏文件快捷键是ctrl+H，下载好模型如下图所示：
