ROS——常用工具

阿新 • • 發佈：2018-12-09

本章主要介紹了ROS開發時常常使用的工具，分別是：

Gazebo
RViz
rqt
rosbag
rosbridge
moveit!

這六個工具是我們開發常常用到的工具，gazebo是一種最常用的ROS模擬工具，也是目前模擬ROS效果最好的工具；RViz是視覺化工具，是將接收到的資訊呈現出來；rqt則是非常好用的資料流視覺化工具，有了它我們可以直觀的看到訊息的通訊架構和流通路徑；rosbag則是對軟體包進行操作的一個命令，此外還提供程式碼API，對包進行操作編寫。rosbridge是一個溝通ROS和外界的功能包，moveit!是目前為止應用最廣泛的開源操作軟體。好好學習本章，熟練使用這幾款工具對於我們的ROS學習和開發都有極大的好處，可以事半功倍。

5.1 Gazebo

5.1.1 簡介

ROS中的工具就是幫助我們完成一系列的操作，使得我們的工作更加輕鬆高效。ROS工具的功能大概有以下幾個方向：模擬、除錯、視覺化。本節課我們要學習的Gazebo就是實現了模擬的功能，而除錯與視覺化由Rviz、rqt來實現，我們下節再依次介紹。

5.1.2 認識 Gazebo

對於Gazebo,大家可能並不陌生，因為我們在前面的學習過程中已經數次用到這個模擬環境，無論是在topic通訊還是在service通訊中，我們的demo都是在Gazebo中實現。

Gazebo是一個機器人模擬工具，模擬器，也是一個獨立的開源機器人模擬平臺。當今市面上還有其他的模擬工具例如V—Rep、Webots等等。但是Gazebo不僅開源，也是是相容ROS最好的模擬工具。

Gazebo的功能很強大，最大的優點是對ROS的支援很好，因為Gazebo和ROS都由OSRF（Open Source Robotics Foundation）開源機器人組織來維護，Gazebo支援很多開源的物理引擎比如最典型的ODE。可以進行機器人的運動學、動力學模擬，能夠模擬機器人常用的感測器（如鐳射雷達、攝像頭、IMU等），也可以載入自定義的環境和場景。

5.1.3 模擬的意義

模擬不僅僅只是做出一個很酷的3D場景，更重要的是給機器人一個逼近現實的虛擬物理環境，比如光照條件、物理距離等等。設定好具體的引數，讓機器人完成我們設定的目標任務。比如一些有危險因素的測試，就可以讓機器人在模擬的環境中去完成，例如無人車在交通環境複雜的交通要道的效果，我們就可以在模擬的環境下測試各種情況無人車的反應與效果，如車輛的效能、駕駛的策略、車流人流的行為模式等，又或者各種不可控因素如雨雪天氣，突發事故，車輛故障等，從而收集結果引數指標資訊等等，只有更大程度的逼近現實，才能得出車輛的真實效果。直到無人車在模擬條件下做到萬無一失，才能放心的投放到真實環境中去使用，這即避免了危險因素對實驗者的威脅，也節約了時間和資源，這就是模擬的意義。

通常一些不依賴於具體硬體的演算法和場景都可以在Gazebo上模擬，例如影象識別、感測器資料融合處理、路徑規劃、SLAM等任務完全可以在Gazebo上模擬實現，大大減輕了對硬體的依賴。

5.1.4 演示

和我們前面的例項測試一樣，我們開啟教材的模擬場景，輸入roslaunch robot_sim_demo robot_spawn_launch

操作說明

平移：滑鼠左鍵
旋轉：滑鼠滾輪中鍵
放縮：滑鼠滾輪
介面左側是控制面板
匯入模型就在控制面板的insert,可以直接拖入模擬空間，也可以按需自制模型拖入。

5.1.5 小結

雖然Gazebo目前的功能還稱不上強大，同時還存在著一些BUG，但是對於我們的入門學習也已經是足夠了，隨著版本的更新，Gazebo也在越來越強大。

5.2 RViz

5.2.1 簡介

本節課介紹的是我們在ROS開發中非常常用的一個工具，基本上的除錯和開發都離不開這個工具——RViz(the Robit Visualization tool)機器人視覺化工具，視覺化的作用是直觀的，它極大的方便了監控和除錯等操作。

5.2.2 演示

依然開啟教材的模擬場景，輸入roslaunch robot_sim_demo robot_spawn_launch，之後在命令列開啟新的終端直接輸入$ rviz 開啟工具。

和Gazebo一樣，也會顯示出一個3D環境，不過操作上有所不同，具體操作如下：

平移：滑鼠滾輪中鍵
旋轉：滑鼠左鍵
放縮：滑鼠滾輪
左側控制面板，可以新增外掛

RViz的外掛種類繁多功能強大，非常適合我們開發除錯ROS程式。

5.2.3 差異

雖然從介面上來看，RViz和Gazebo非常相似，但實際上兩者有著很大的不同，Gazebo實現的是模擬，提供一個虛擬的世界，RViz實現的是視覺化，呈現接收到的資訊。左側的外掛相當於是一個個的subscriber,RViz接收資訊，並且顯示。所以RViz和Gazebo有本質的差異。

5.2.4 小結

RViz和Gazebo是我們常用的ROS工具，更好的利用這些工具是我們ROS進階的基礎。具體的操作和使用可以參考我們的官方演示視訊，跟著視訊去實戰演練，熟悉這兩個工具。

5.3 rqt

5.3.1 簡介

rqt是一個基於qt開發的視覺化工具，擁有擴充套件性好、靈活易用、跨平臺等特點，主要作用和RViz一致都是視覺化，但是和RViz相比，rqt要高階一個層次，。

5.3.2 命令

rqt_graph :顯示通訊架構
rqt_plot ：繪製曲線
rqt_console ：檢視日誌

rqt_graph

rqt_graph是來顯示通訊架構，也就是我們上一章所講的內容節點、主題等等，當前有哪些Node和topic在執行，訊息的流向是怎樣，都能通過這個語句顯示出來。此命令由於能顯示系統的全貌，所以非常的常用。

rqt_plot

rqt_plot將一些引數，尤其是動態引數以曲線的形式繪製出來。當我們在開發時檢視機器人的原始資料，我們就能利用rqt_plot將這些原始資料用曲線繪製出來，非常的直觀，利於我們分析資料。

rqt_console

rqt_console裡存在一些過濾器，我們可以利用它方便的查到我們需要的日誌。

5.3.3 例項測試

首先開啟我們教材的模擬場景，輸入roslaunch robot_sim_demo robot_spawn_launch
輸入命令語句rqt_graph,顯示出了當前環境下執行的Node和topic，十分直觀的看到通訊結構以及訊息流向。注意在橢圓形的代表節點，矩形代表topic。
輸入命令語句rqt_plot,顯示出曲線座標視窗，在上方輸入框裡新增或者刪除topic，比如我們檢視速度，可以在框裡設定好topic後，移動機器人，就可以看到自動繪製的線速度或者角速度曲線。
輸入命令語句rqt_console，顯示日誌的輸出，配合rqt_logger_level檢視日誌的級別。

5.3.4 小結

rqt_graph這個功能是強大的，它使得我們初學者可以直觀的看到ROS的通訊架構和資訊流，方便我們理解的同時，也使得我們能夠最快的糾錯等等。rqt_plot繪製資料曲線圖，也是極大的幫助我們瞭解資料的變化態勢，理解資料流的作用，用曲線來顯示我們的操作，精確直觀。rqt_console配合rqt_logger_level，檢視日誌，對於查詢錯誤和DeBug都有很大幫助。

5.4 Rosbag

5.4.1 簡介

rosbag是一個這是一套用於記錄和回放ROS主題的工具。它旨在提高效能，並避免訊息的反序列化和重新排序。rosbag package提供了命令列工具和程式碼API，可以用C++或者python來編寫包。而且rosbag命令列工具和程式碼API是穩定的，始終保持向後的相容性。

5.4.2 命令

rosbag對軟體包來操作，一個包是ROS用於儲存ROS訊息資料的檔案格式，rosbag命令可以記錄、回放和操作包。指令列表如下：

命令	作用
`cheak`	確定一個包是否可以在當前系統中進行，或者是否可以遷移。
`decompress`	壓縮一個或多個包檔案。
`filter`	解壓一個或多個包檔案。
`fix`	在包檔案中修復訊息，以便在當前系統中播放。
`help`	獲取相關命令指示幫助資訊
`info`	總結一個或多個包檔案的內容。
`play`	以一種時間同步的方式回放一個或多個包檔案的內容。
`record`	用指定主題的內容記錄一個包檔案。
`reindex`	重新索引一個或多個包檔案。

一、bag基本操作指令

$rosbag record -a

-all 儲存所有的話題

$rosbag record  -O  w   /turtle1/cmd_vel

接收話題 /turtle1/cmd_vel 的資料包，並命名為w.bag

$rosbag info <bag>

顯示包的詳細資訊

$rosbag play <bag>

播放bag包

$rosbag play -r 2 <bag>

以2Hz的頻率播放bag 包

二、bag_to_pcd

（1）從bag包轉pcd

$ rosrun pcl_ros bag_to_pcd <input_file.bag> <topic> <output_directory>
$ rosrun pcl_ros bag_to_pcd data.bag /velodyne_points ./wtj

從data.bag中提取/velodyne_points 話題資料到wtj 資料夾中。

(2) 通過釋出，訂閱實時轉

檢查topic:rosbag info XXX.bag
傳送message: $ rosbag play XXX.bag
訂閱需要的話題:$rosrun pcl_ros pointcloud_to_pcd input:=/velodyne_points

在當前目錄下將話題實時轉為pcd檔案。

(3)顯示生成的pcd檔案

$pcl_viewer  1513648255448748.pcd

5.5 Rosbridge

5.5.1 簡介

Rosbridge是一個用在ROS系統和其他系統之間的一個功能包,就像是它的名字一樣,起到一個"橋樑"的作用,使得ros系統和其他系統能夠進行互動.Rosbridge為非ROS程式提供了一個JSON API,有許多與Rosbridge進行互動的前端，包括一個用於Web瀏覽器互動的WebSocket伺服器。Rosbridge_suite是一個包含Rosbridge的元程式包，用於Rosbridge的各種前端程式包（如WebSocket程式包）和幫助程式包。

5.5.2 協議和實現

Rosbridge主要包含兩部分內容:協議(Potocol)和實現(Implementation)

協議

Ｒosbridge Protocol提供了非ROS程式與ROS通訊的具體的格式規範，規範基於JSON格式,包括訂閱topic，釋出message,呼叫server，設定引數，壓縮訊息等等．例如訂閱topic的格式規範如下：

{ "op": "subscribe",
    "topic": "/cmd_vel",
    "type": "geometry_msgs/Twist"
  }

此規範與所用的程式語言和傳輸方式無關，任何可以傳送JSON格式的語音和傳輸方式都可以Rosbridge protocol進行交流，並且與ROS進行互動．

實現

Rosbridge_suite元程式包是實現Ｒosbridge　Protocol並提供WebSocket傳輸層的包的集合。

這些軟體包包括：

Rosbridge_library : 核心rosbridge軟體包。Rosbridge_library負責獲取JSON字串並將命令傳送到ROS，反過來接收處理ROS發過來的資訊，將之轉換為JSON字串，並將結果轉交給非ROS程式。
rosapi : 通過服務呼叫來訪問某些ROS操作，這些服務通常為ROS客戶端庫保留的服務．這些操作包括獲取和設定引數，獲取主題列表等等。

+
rosbridge_server : 雖然Rosbridge_library提供JSON到ROS轉換，但它將傳輸層留給其他人。Rosbridge_server提供了一個WebSocket連線，所以瀏覽器可以與ROS“交談”。Roslibjs是一個瀏覽器的JavaScript庫，可以通過rosbridge_server與ROS進行交流。

原始碼

5.5.3 安裝與使用

安裝

Rosbridge是基於ROS的，首先要確保自己正確的安裝完成了ROS之後可以啟動終端執行命令：

sudo apt-get install ros- <rosdistro> -rosbridge-server

中間的為自己的ROS版本，依照自己的版本進行安裝．

使用

關於更深入的使用，可以參考本課程的視訊課程，簡單的入門使用可以參考連結如下：

參考連結

5.6 moveit!

5.6.1 簡介

2012年，一款叫做moveit!的移動操作軟體誕生了，moveit！最初在Willow Garage由Sachin Chitta，Ioan Sucan，Gil E. Jones，Acorn Pooley，Suat Gedikli，Dave Hershberger開發，它融合了研究者在運動規劃、操縱、3D感知、運動學、控制和導航方面的最新進展，為操作者提供了一個易於使用的平臺，使用它可以開發先進的機器人應用，也被廣泛應用於工業，商業，研發和其他領域。由於以上特性，moveit！一躍成為在機器人上最廣泛使用的開源操作軟體，截止2017年，已經被用於超過65臺機器人。

moveit!視訊連結

5.6.2 使用

moveit!的使用通過為使用者提供介面來呼叫它，包括C++、Python、GUI三種介面。ROS中的move_group節點充當整合器，整合多個獨立元件，提供ROS風格的Action和service。move_group通過ROS topic和action與機器人通訊，獲取機器人的位置、節點等狀態，獲取資料再傳遞給機器人的控制器。

move_group節點獲取到節點狀態資訊或者機器人變換資訊時候，會通過控制器的介面去處理這些資訊，比如進行座標轉換、規劃場景、3D感知。另外，move_group的結構比較容易擴充套件，不僅具有獨立的能力如抓放，運動規劃，也可擴充套件自公共類，但實際作為獨立的外掛執行。moveit!系統結構圖如下：

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