具身智能学习笔记

ROS2 基础

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3 most important points

  1. 节点 >> 功能包 >> 工作空间（文件夹）
  2. 通信方式包括：话题，服务，动作，参数；其中动作是高级通信方式
  3. 可以用 Gazebo 进行仿真，RQT 进行检测，RVIZ2 进行数据可视化

5 thoughts

Notes

ROS2 简介

  • ROS2安装
  • ROS 和 ROS2 区别 总得来说，主要是改进了一整个通信系统，使得通信更高效、完备、安全；以及一些对编程语言和所在系统的适应与优化
    • OS 层（系统层）
      • 添加了对 Windows/Mac/RTOS 的支持
    • Middleware 层（中间件层）
      • 去中心化 master
        • ROS 依赖主节点通信，一旦 master 挂掉就会造成整个系统通信崩溃，现实场景中非常危险
      • ? 使用 DDS 通信
        • ROS 中自实现了基于 TCP 的通信，有一堆通信方面的问题
      • @ Client Library
    • 应用层
      • 增加 Python 和 C++的支持版本，且可以使用相同的 API进行进程间/进程内通信

什么是 DDS？

  • DDS，全称 Data Distribution Service (数据分发服务)，是一种用于实时系统的数据通信中间件协议和 API 标准。它实现了实时、高效、灵活的数据分发，满足各种分布式实时通信应用需求。
  • DDS 采用发布者/订阅者模式，允许数据源（发布者）将数据发布到特定主题，而感兴趣的数据消费者（订阅者）则订阅这些主题，接收他们感兴趣的数据。
  • DDS 关注数据本身，而不是消息的发送和接收。这意味着，DDS 能够自动处理数据的传输、序列化、发现和 QoS 等底层细节，简化了应用程序开发。
  • DDS 允许用户根据应用需求配置不同的 QoS（服务质量）策略，例如可靠性、实时性、持久性等，以满足不同场景的需求。

Note

RCL（ROS Client Library）ROS 客户端库，是 ROS 的一种 API，提供了对 ROS 话题、服务、参数、Action 等接口

示例

# 终端1
ros2 run demo_nodes_py listener
# 终端2
ros2 run demo_nodes_cpp talker
# 终端-标签页1
ros2 run turtlesim turtlesim_node
# 终端-标签页2
ros2 run turtlesim turtle_teleop_key

ROS2 构建

  • 节点：ROS2 中每一个节点也是只负责一个单独的模块化的功能（比如一个节点负责控制车轮转动，一个节点负责从激光雷达获取数据、一个节点负责处理激光雷达的数据、一个节点负责定位等等）实际是可执行文件
  • ~ 层级：节点 >> 功能包 >> 工作空间 功能包相当于工具箱
  • 通信：
    • 话题 - topics 发布-订阅模式，单向交流，自动接收
    • 服务 - services 最典型的双向交流，Request+Response
    • 动作 - Action
    • 参数 - parameters
  • 实战：

节点通信

Abstract

  • 话题 没有返回，适用于单向或大量的数据传递，如传感器数据、节点间的状态信息等
  • 服务 是双向的，客户端发送请求，服务端响应请求
  • 动作 是高级通信机制，实现异步双向通信，用于需要较长时间的任务，如导航等
  • 参数 是对节点的一种设置，读写可以通过服务实现

话题

  • 订阅发布模型
  • Domain ID
    • 在 DDS 中，不同逻辑网络共享物理网络的主要机制称为 Domain ID（域 ID）
    • 同一域上的 ROS 2 节点可以自由地相互发现并发送消息，而不同域上的 ROS 2 节点则不能
    • 所有 ROS 2 节点默认使用 Domain ID 为 0
    • ! 为了避免在同一网络上运行 ROS 2 的不同计算机组之间互相干扰，应为每组设置不同的 Domain ID
    • 一般选择一个介于 0 和 101 之间的安全的 Domain ID（包括 0 和 101） DDS 使用 Domain ID 用于 UDP 端口， 而不同操作系统使用的 UDP 临时端口不一样； 避开 Linux / macOS / Windows 的临时端口范围后得到安全的端口范围为 0-101
  • 通信方式
    • 基于 TCP/UDP 的网络通信方式
      • TCP（传输控制协议）：可靠，面向连接
      • UDP（用户数据报协议）：不可靠，无连接 ping 命令就是基于 UDP 的网络通信
  • 通信中间件
    • FastDDS：ROS2 的通信中间件，性能优秀
    • ZeroMQ：超轻量，占用资源少
  • 使用 RCLPY 实现话题
    • publisher：需要设置 timer 用于定时发布，传入 timer_callback 回调函数
    • subscription：需要创建 command_callback 回调函数处理 msg

服务

  • 请求响应模型，分为 客户端 和 服务端
  • 注意事项
    • 同一个服务（名称相同）有且只能有一个节点来提供
    • 同一个服务可以被多个客户端调用
  • 使用 RCLPY 实现服务
    • service：需要 handle_interface 处理 request 和 response
    • client：
      • 需要 result_callback_ 处理 result_future
      • 创建 send_request 完成连接服务器、设置并发送 request、等待 response 等步骤 self.client_.call_async(request).add_done_callback(self.result_callback_)

动作

  • 动作由 3 个服务 + 2 个话题组成，分别是：
    • 目标传递服务
    • 结果传递服务
    • 取消执行服务
    • 反馈话题
    • 状态话题
  • 相关指令：
ros2 action list       # 获取 action 列表
ros2 action list -t    # 获取 action 列表并查看其类型
ros2 action info <action_name>
  • 使用 RCLPY 实现动作
    • ActionServer：当采用 ServerGoalHandle 只需要一个 execute_callback
    • ActionClient：需要 goal_response_callback，直接处理服务端返回的 response，并摘出 result，安排 get_result_callback 进行处理；feedback_callback 则负责处理服务端执行过程中发布的反馈

参数

  • 参数是一个节点的设置，读写可以通过服务实现
  • 组成
    • 键：string，string[]
    • 值：
      • bool，bool[]
      • int64，int64[]
      • float64，float64[]
      • string，string[]
      • byte[]，字节数组，这个可以用来表示图片，点云数据等信息
  • 相关指令：
# 查看所有节点的参数列表
ros2 param list
 
# 查看一个参数的信息
ros2 param describe <node_name> <param_name>
 
# 获取参数的值
ros2 param get /turtlesim background_b
 
# 设置参数的值
ros2 param set <node_name> <parameter_name> <value>
 
# 把某个节点的所有参数存为 ./node_name.yaml
ros2 param dump <node_name>
 
# 恢复某个节点的参数值
ros2 param load <node_name> <file_name>
  • 运行时直接使用某参数
ros2 run <package_name> <executable_name> --ros-args --params-file <file_name>

接口

  • 接口是一种规范，将来自不同厂家的不同数据转换成统一的数据类型使用——就像 TypeC
  • 话题的接口是 ROS2 自带的 std_msgs，服务的接口是 example_interfaces
  • ROS2 定义了很多机器人常用接口，比如传感器类的消息包 sensor_msgs
  • & 常用命令：
    • ros2 interface list：查看当前所有接口列表
    • ros2 interface package <package_name>：查看某一个接口包下所有的接口
    • ros2 interface show <interface_name>：查看某个接口的详细内容
  • 文件类型
    • 话题接口：xxx.msg
    • 服务接口：xxx.srv
    • 动作接口：xxx.action
  • 数据类型
# 基础数据类型
bool
byte
char
float32,float64
int8,uint8
int16,uint16
int32,uint32
int64,uint64
string

# 可以是数组
int32[]

# 或者在已有接口类型上进行包含
sensor_msgs/Image

常用工具

  1. Launch
  2. RVIZ2
    • 数据可视化工具 注意，是已有数据情况下，不是仿真
  3. RQT
    • GUI 框架，通过插件的方式实现了各种各样的界面工具
    • 常用插件
      • Introspection / Node Graph：查看节点之间的关系
      • Introspection / Process Monitor：查看素有与 ROS2 相关的进程
      • Topic / Message Publisher：图形化发布话题数据
      • Service / Service Caller：图形化调用服务工具
      • Visualization / Image View：查看图像话题数据
      • Visualization / MatPlot：话题数据图形化工具，可以用来调 PID
  4. ROSBAG2
    • 用于记录话题的数据
    • 可以将话题数据存储为文件，后续无需启动节点，直接可以将 bag 文件里的话题数据发布出来 可以用来进行测试和实验，或者分享用于验证算法
ros2 bag record <topic-name1> <topic-name2>  # 记录
ros2 bag record -a                           # 记录所有话题
ros2 bag record -o <file-name> <topic-name>  # 自定义输出文件的名字
 
ros2 bag info <bag-file>  # 查看录制出话题的信息
 
ros2 bag play xxx.db3      # 播放话题数据
ros2 topic echo <chatter>  # 查看数据
  1. ~ Gazebo 注意，Gazebo 不是当前最热门的仿真方法
    • 用于模拟真实环境，生产数据
    • Gazebo 与 ROS 通过 gazebo_ros_pkgs 集成起来，包括：
      • gazebo_dev：开发 Gazebo 插件可以用的 API
      • gazebo_msgs：定义的 ROS2 和 Gazebo 之间的接口（Topic/Service/Action）
      • Gazebo_ros：提供方便的 C++ 类和函数，可供其他插件使用，例如转换和测试实用程序。它还提供了一些通常有用的插件。
      • Gazebo_plugins：一系列 Gazebo 插件，将传感器和其他功能暴露给 ROS2 例如:
        1. gazebo_ros_camera 发布 ROS2 图像
        2. gazebo_ros_diff_drive 通过 ROS2 控制和获取两轮驱动机器人的接口

Reference

Graph View

Backlinks