本文參考了ROS_Kinetic_05 ROS基礎內容,在本人的計算機環境ubuntu16.04 64bit+kinetic基礎上進行實踐。

1. ROS節點node的基本概念和操作

涉及到的基本概念：

Nodes:節點,一個節點即為一個可執行檔案，節點之間通過ROS這個系統進行通訊。
Messages:訊息，訊息是一種ROS資料型別，用於主題的訂閱或釋出。
Topics:主題,節點可以釋出訊息到主題，也可以訂閱某些主題以接收這些主題的訊息。
Master:節點管理器，ROS名稱服務。（在ROS2中取消了Master節點）
rosout: ROS中相當於stdout/stderr。
roscore: 主機+ rosout + 引數伺服器。
rospy = python 客戶端庫
roscpp = c++ 客戶端庫

節點是ROS中最重要的概念之一。每個ROS執行例項被稱為節點。換句話說，每個ROS程式執行的程序，就是一個節點。每個機器人程式，可以有非常多個節點。我們也可以運行同一個程式的多個副本（但要確保每個副本使用不同節點名），則每個副本都被當作一個獨立節點。

節點(Node)可以用來提供某種資料或能力，比如讀取某Sensor資料。也可以是一個獲取這些資料並處理的節點(Node),例如從別的節點那拿到Sensor並處理。但他們之間如何知道對方存在與否呢？哪些node需要哪種資料呢？這就需要有個管理者，它就是NodeMaster/ Node Core。每個Node啟動時，需要向它註冊，申明自己提供什麼服務或需要什麼資料。

Node是ROS　package中一個可執行檔案。ROS node利用ROS使用者庫去和其他node進行通訊。nodes也可以向topic發起釋出或者訂閱，nodes也可以提供或者使用一個service.

為何說Node是ROS核心，看看它通常被用來做什麼：

控制電機速度，獲取鐳射雷達資料，獲取Camera資料，利用以上資料定位，路徑規劃。

啟動一個Node：

#rosrun package-name executable-name

兩個引數，引數1：功能包名。 引數2：可執行檔名。（見後面的例子）

檢視當前有哪些Node：

#rosnode list

停止一個Node：

#rosnode kill node-name

雖然也可以ctrl-c停止，但此時Node master 可能會沒有及時登出此node.造成誤會。(當然這種情況可以：rosnode cleanup)

檢視當前執行的node的資訊：

#rosnode info Node_Name

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

1.1 例項

下面是一個執行node的例子

首先在一個terminal上啟動ros

~$ roscore

在另一個terminal上啟動一個turtlesim模擬器並啟動一個turtlesim_node節點

~$ rosrun turtlesim turtlesim_node

在另一個terminal上檢視節點列表

~$ rosnode list

如下圖所示：

此時只有rosout和turtlesim節點這兩個，其中turtlesim就是通過turtlesim啟動的那個節點，預設名字與模擬器相同。下面我們再啟動一個terminal並啟動一個turtlesim節點，並給它起個名字：

~$ rosrun turtlesim turtlesim_node __name:=kinetic_turtle

然後我們再用rosnode list命令檢視，發現多了一個叫kinetic_turtle節點。

如果啟動兩個同名的node，如下圖的test1，則也會只保留一個，第一個建立的會被強制關閉：

使用rosnode ping nodename可以測試能否ping通某個節點，

刪除節點：~$ rosnode kill nodename

~$ rosnode cleanup

關閉turtlesim_node，請按下“Ctrl-C” 。

檢視節點資訊：

這裡可以看到節點訂閱和釋出的訊息的型別。

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

2. ROS中的主題topic

在開始topic相關討論之前，我們先看通過turtlesim中的那個turtlesim（小海龜）的例子來了解一下ros中的topic是怎麼一回事。

2.1 例項

++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

（1）啟動小烏龜turtle

ROS的資料中提到一隻虛擬小烏龜:turtle,關於它的例子也十分簡單,比如啟動它

~$ roscore

在另一個terminal中啟動一個turtle節點

~$ rosrun turtlesim turtlesim_node

另開啟一個ternimal標籤

~$ rosrun turtlesim turtle_teleop_key

將會得到藍色背景下隨機的一直小烏龜,並且可以使用方向鍵控制移動,但是turtle_teleop_key的節點系統裡是沒有原始碼的,只有一個能夠直接執行的檔案.

另起一個terminal，開啟節點圖可以更直觀地看到這兩個節點間傳遞訊息的主題

~$ rqt_graph

顯然,/teleop_turtle這個節點單向傳遞速度的控制資訊給turtlesim節點, 那麼完全可以按照程式的意願使小烏龜的執行處於離線執行狀態.

Node之間，是通過Message來傳遞訊息的,每個Message就是一個數據結構,如geonetry_msgs/Twist.msg.

換句話說自己寫一個可釋出/turtle1/cmd_vel的程式.

我們必須知道/turtle1/cmd_vel裡釋出的msg是什麼樣的，執行如下命令，檢視傳遞的訊息:

~$ rostopic type /turtle1/cmd_vel | rosmsg show

geometry_msgs/Vector3 linear
float64 x
float64 y
float64 z
geometry_msgs/Vector3 angular
float64 x
float64 y
float64 z

可以看到msg為geometry_msgs/Vector3,這個訊息的原型在ROS中,/opt/ros/kinetic/share/geometry_msgs/Vector3 ,內容為

float64 x

float64 y

float64 z

(2）簡單的自轉

那麼接下來自己寫一個node,釋出它們就可以了.

在catkin中建立一個package,如toldturtle,並建立一個node.(下面標註的紅色的toldturtle和talk，也可以改成其他名稱，只要保證一致即可)

~$ cd ~/catkin_ws/src/

~$ catkin_create_pkg toldturtle roscpp std_msgs geometry_msgs

在該package的src下建立一個名為talk.cpp的node.

#include <ros/ros.h>#include <geometry_msgs/Twist.h>ros::Publisher cmdVelPub;int main(int argc, char **argv){ ros::init(argc, argv, "talk"); //"talk"必須是nodename std::string topic = "/turtle1/cmd_vel"; //topic name ros::NodeHandle n; cmdVelPub = n.advertise<geometry_msgs::Twist>(topic, 1); //第一個引數也可以寫成"/turtle1/cmd_vel"這樣的topic name //第二個引數是釋出的緩衝區大小,<geometry_msgs::Twist>是訊息型別 ros::Rate loopRate(2); //與Rate::sleep();配合指定自迴圈頻率 ROS_INFO("talk cpp start...");//輸出顯示資訊 geometry_msgs::Twist speed; // 控制訊號載體 Twist message while (ros::ok()){ speed.linear.x = 1; // 設定線速度為1m/s，正為前進，負為後退 speed.angular.z = 1; // 設定角速度為1rad/s，正為左轉，負為右轉 cmdVelPub.publish(speed); // 將剛才設定的指令傳送給機器人 ros::spinOnce(); loopRate.sleep();//按loopRate(2)設定的2HZ將程式掛起 } return 0;}

並且修改cmake程式碼,讓編譯系統明白如何編譯,這裡我的package為toldturtle,node為talk.cpp:

cmake_minimum_required(VERSION 2.8.3)project(toldturtle)find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS geometry_msgs roscpp rospy std_msgs)catkin_package( CATKIN_DEPENDS geometry_msgs roscpp rospy std_msgs)include_directories( ${catkin_INCLUDE_DIRS})## Declare a C++ executable add_executable(talk src/talk.cpp)## Specify libraries to link a library or executable target against target_link_libraries(talk ${catkin_LIBRARIES} )

這樣在terminal裡編譯下整個catkin的package

~$ cd ~/catkin_ws/

~$ catkin_make

如果編譯成功,就可以看到提示了.

（3）效果

在終端執行寫的node

~$ rosrun toldturtle talk

此時，我們檢視ros中的節點，

這樣就通過編寫一個talk，來實現在ros中對turtle的控制.

此時，turtle也受前面的teleop_turtle控制，我們仍然可以通過鍵盤上的箭頭控制小烏龜，只不過它目前受兩個控制，在鍵盤箭頭控制的同時，仍然受talk的控制進行畫圓，即可以用方向鍵控制自旋轉的turtle.

此時檢視節點之間的關係，我們發現talk和teleop_turtle都可以傳遞訊息給turtlesim。

通過這個例子，結合訂閱/釋出訊息機制，我們可以認為turtlesim節點訂閱了turtle1/cmd_vel這個主題，而只要某個節點發布了這個主題的訊息，turtlesim節點都能接受並根據傳過來的訊息內容（即geometry_msgs/Vector3）更新烏龜的位置。

關於烏龜控制的例子，我們參考了：http://blog.csdn.net/under_maple/article/details/49430765

（4）通過rostopic命令釋出topic訊息來控制小烏龜

除了上面的方式，寫一個package來實現對小烏龜的控制外，還有更方面的一種方式來實現對小烏龜的控制，就是在命令列裡，藉助rostopic命令，釋出一條小烏龜控制所需要的訊息

rostopic pub [topic] [msg_type] [args

~$ rostopic pub -1 /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/Twist -- '[2.0, 0.0, 0.0]' '[0.0, 0.0, 1.8]'

publishing and latching message for 3.0 seconds

上面的命令告訴小海龜按照線速度2角速度1.8進行移動，時間為3s，如下圖所示（忘記截圖了，此圖來源於http://blog.csdn.net/bobsweetie/article/details/43638797）：

小烏龜移動3s後停止了，我們可以用rostopic pub -r命令釋出一個穩定的命令流。

~$ rostopic pub /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/Twist -r 1 -- '[2.0, 0.0, 0.0]' '[0.0, 0.0, 1.8]

~$ rostopic hz /turtle1/pose

subscribed to [/turtle1/pose]
average rate: 124.817
    min: 0.006s max: 0.010s std dev: 0.00141s window: 118
average rate: 125.015
    min: 0.006s max: 0.010s std dev: 0.00142s window: 243
average rate: 124.968
    min: 0.006s max: 0.010s std dev: 0.00142s window: 368
average rate: 125.009
    min: 0.006s max: 0.010s std dev: 0.00141s window: 493

~$ rostopic type /turtle1/cmd_vel | rosmsg show

~$ rosrun rqt_plot rqt_plot

rostopic命令相關的內容，可以參考：http://blog.csdn.net/bobsweetie/article/details/43638797

++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

2.2 ROS中的topic的理解（三種主要通訊方式中的一種）

下面我們正式開始ros中的topic主題部分的理解。

ROS Node之間通訊方式主要依靠的就是主題(Topic)和服務(Service), 引數(parameter) 三種。Message就是放在Topic中。這裡需要注意，Topic只是ROS中的一種通訊方式，而不是唯一的通訊方式。

 Message傳遞的的理念：

當一個節點想要分享資訊時，它就會發布(publish)訊息到對應的一個或多個Topic(主題)；當一個節點想要接收訊息時，它就會訂閱(Subscribe)它所需要的一個或多個Topic。

ROS Topic: 

主題是由ROS網路對訊息進行路由，對訊息進行管理的資料匯流排。每一條訊息都要釋出到相應的主題上。當一個節點發送資料時，我們就說這個節點向某個主題釋出了訊息。

節點可以通過訂閱某個主題，接受別的節點發布的訊息。

ROS Master負責確保釋出主題的Node和訂閱主題的Node能找到對方。而Message是直接從釋出Node傳遞到訂閱Node.並不需要經過Node Master。

A：訊息以一種publish/subscribe的方式傳遞。

B：節點可以在給定的主題中釋出/訂閱訊息。

C：一個節點可以訂閱/釋出多個不同主題。

D：允許多個Node訂閱/釋出同一個主題。

E：訂閱節點和釋出節點並不知道相互之間的存在。

 Message註冊和訂閱過程：

Talker這個Node，啟動後註冊了一個Topic，名為bar, 並告知Node Master，接收埠為：1234。

Listener這個Node啟動後訂閱了一個Topic，名為bar.

Node Master告知Listener，主題的埠為1234。

Listener去連線1234埠，Talker監聽到有人連線。就告知對方，資料介面是2345。

於是兩個Node就連通起來了。

同一個時刻，只有一個Node Master。所以可以共享資料。

我們繼續用上面的程式來檢視Topic.

#roscore

#rosrun turtlesim turtlesim_node

#rosrun turtlesim turtlesim_node __name:=turtle2

#rosrun turtlesim turtle_teleop_key

1. 運行了roscore,

2. 運行了turtlesim包內的turtlesim_node這node兩次，使用不同的node_Name.

3. 運行了turtlesim包內的turtle_teleop_key.

turtlesim_node和turtle_teleop_keynode之間用topic交流通訊．

turtle_teleop_key在這個topic上釋出按鍵敲擊，而turtlesim訂閱同樣的topic接受按鍵敲擊．

可以使用視覺化工具檢視Topic的資料傳輸。

#rosrun rqt_graph rqt_graph

圖示：

這個和我們原來研究的zeromq差不錯，都是基於訂閱/釋出模式的訊息傳遞機制。

3. 總結

要理解ROS topics、ROS nodes、ROS Messages之間的關係。目前個人的理解是：ROS topics是ROS nodes之間進行通訊的樞紐，ROS messages是ROS nodes訂閱和釋出資料的載體。兩個ROS nodes欲實現通訊，則其中一個節點向ROS topic釋出ROS messages，另一節點則通過訂閱此topic來接收messages，兩者的message型別一定要相同，而message的型別由主題確定，通過rostopic type命令可以檢視topic的資料型別。

然後就是輔助檢視ROS中節點關係和資料的工具：rqt_graph和rqt_plot，兩者都是針對ROS型別的，其中rqt_graph工具會自動搜尋系統中正在執行的節點和主題，並動態繪製出關系圖，rqt_plot則是繪製釋出到topic上的資料的圖形，因此兩者使用的前提是有ROS的程序在執行。

執行節點：roscore
rosrun turtlesim turtlesim_node
rosrun turtlesim turtle_teleop_key
檢視節點關係圖：rosrun rqt_graph rqt_graph

顯示topic1上所釋出的資料：rostopic echo topic1
列出當前處於啟用狀態的topic列表：rostopic list -v
顯示topic1的資料型別：rostopic type topic1
顯示型別更加詳細的資訊：rosmsg show type1
直接向主題topic1釋出資料：rostopic pub [topic1] [msg_type] [args]
顯示主題topic1上資料的釋出速率：rostopic hz [topic1]