ROS编写第一个发布器Publisher

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在上一篇文章中我们安装好了 ROS 环境。本篇文章我们将熟悉 ROS 中的一些概念（Concept），并尝试使用 C ++ 来实现一个发布器 (Publisher) 和一个订阅器(Subscriber)。

该文章是个人学习 ROS 的过程记录，参考的书是中文版《ROS 机器人编程：原理与应用》，英文版为 A Systematic Approach to Learning Robot Programming with ROS，该书代码托管在作者 wsnewman 的 github 上，感谢作者的辛苦付出。

该篇文章分为以下几个部分：

ROS 概念
在 ROS 中实现一个发布器
运行你的发布器

我仅仅列举了几个本篇文章将会涉及到的概念，这些概念的定义来源于 ROS Wiki，有兴趣可以进一步深入了解。

主要是介绍在 ROS 中的文件组织方式，类似于 Python 中包 (Package) 的文件组织形式。

Packages: ROS 包是 ROS 中程序的主要组织单元，在一个包中可能包含一系列相关的节点（nodes)，ROS 依赖库，配置文件等等。ROS 包是你可以编译及发行的最小单元了，大部分时候你执行编译操作时便是在编译包。
Package.xml: 主要是用来描述包，提供关于包的一些信息，包括包名称，版本，简述，版权信息，依赖等等。
消息类型：对话题 (topic) 中的消息进行定义，以便发布器 / 订阅器都能正确编码 / 解码字节流。

节点 (Nodes): 节点就是可执行文件，该可执行文件可能是你使用roscpp 或者 rospy 创建的。
Master: 在上一篇文章中我们运行过命令 roscore 该命令的作用之一就是启动ROS Master，Master 主要是提供名称注册与解析，以便每个节点可以通过名称来找到另外的节点。
消息 (message)：节点通过消息来完成彼此之间的交流，消息是一个类似于struct 的数据结构，其中可能包含几个字段。举个例子：在路径 /opt/share/melodic/share/std_msgs/msg(如果你是像我上篇文章中那样安装的) 中，你可以看到许多的消息定义，打开一个比如说 ColorRGBA.msg，内容如下:
```
float32 r;
float32 g;
float32 b;
float32 a;
```
话题 (topic): 话题由话题名(topic name) 表示，你可以把它想象为一个邮箱，发布器认为我只需要把消息投放到邮箱里就行了，而订阅器认为我只需要去这个邮箱拿消息就行了，因为节点交流的本质是传递消息，话题只是指明一个双方约定好的交流路径。整个过程可以如下的图来表示

在编写 ROS 程序之前，首先要建议一个 ROS 工作区，之后的编写工作都将在该工作区下进行，工作区有一定的格式，你可以选择在你的 home 目录下创建，依次输入以下几行命令

mkdir -p ~/catkin_ws/src # 创建工作区
cd ~/catkin_ws/src # 进入工作区
# catkin_create_pkg package_name(包名称) dependencies（依赖)
catkin_create_pkg my_minimal_node roscpp std_msgs #新建一个 ROS 包

创建完成以后，我们可以看到在目录 my_minimal_node 下多了两个文件 (package.xml ,CMakeLists.txt) 和两个文件夹(src, include)。

其中的 package.xml 便是之前提到的 ROS 包配置文件，描述关于包的信息。CMakeLists.txt是用来配置编译过程，这是本篇文章所主要使用的两个文件。

2.2 修改`package.xml`

首先我们来修改package.xml，在编辑器中打开该文件，可以看到文件中包含了大量的注释，这些注释都是来指导你该如何书写该文件。

一般说来我们应该包括 <name>，<version>，<description>，<maintanner>，<license>，<author>，<build_depend>，<build_export_depend>，<exec_depend> 便可以了，这部分大家可以按照自己的信息进行修改。

修改后的 package.xml 类似于下面的内容，当然你也可以不修改，对于这一篇内容来说，这无关紧要。

<?xml version="1.0"?>
<package format="2">
  <name>my_minimal_node</name>
  <version>0.1.0</version>
  <description>The my_minimal_node package</description>
  <maintainer email="gnc@todo.todo">gnc</maintainer>
  <license>MIT</license>
  <author email="sharku">Jane Doe</author>
  <buildtool_depend>catkin</buildtool_depend>
  <build_depend>roscpp</build_depend>
  <build_depend>std_msgs</build_depend>
  <build_export_depend>roscpp</build_export_depend>
  <build_export_depend>std_msgs</build_export_depend>
  <exec_depend>roscpp</exec_depend>
  <exec_depend>std_msgs</exec_depend>
</package>

进入到目录 ~/catkin_ws/src/my_minimal_node/ 下，在该目录下的 src 文件夹创建minimal_publisher.cpp，内容如下，代码内容也可以在文章最开始给出的 github 中找到。

#include <ros/ros.h>
#include <std_msgs/Float64.h>

int main(int argc, char **argv) {ros::init(argc, argv, "minimal_publisher"); // 初始化节点名
    ros::NodeHandle n; // 
    ros::Publisher my_publisher_object = n.advertise<std_msgs::Float64>("topic1", 1); // 创建一个发布器，调用 advertise 通知 ROS Master 话题名称以及话题类型
    //"topic1" 是话题名
    // 参数 "1" 是 queue_size，表示缓冲区大小
    
    std_msgs::Float64 input_float; // 创建一个发布器将要使用的消息变量
    // 该消息定义在：/opt/ros/indigo/share/std_msgs
    // 在 ROS 中发布的消息都应该提前定义，以便订阅者接收到消息后该如何解读
    // Float64 消息的定义如下，其中包含一个数据字段 data：// float64 data
    
    input_float.data = 0.0; // 设置数据字段
    
    
    // 程序所要做的工作将在下面的循环里完成
    while (ros::ok()) 
    {
        // 该循环没有 sleep，因此将一直处于运行状态，不断消耗 CPU 资源
        input_float.data = input_float.data + 0.001; // 每循环一次 +0.01
        my_publisher_object.publish(input_float); // 发布消息到对应的话题
    }
}

代码中，#include <ros/ros.h>表示包含 ROS 头文件，#include <std_msgs/Float64.h>表示包含标准消息类型中的Float64，它的具体类型是float64。

在上述代码中，在 main 函数中，首先对 ROS 进行初始化，调用 ros::init 定义了节点名称。然后定义了 ros::NodeHandle 该变量用来创建一个发布者，通过调用函数 .advertise，表示向 Master 声明我要注册一个话题名为topic1，然后我将会向该话题发布消息，然后返回一个发布器对象。随后我们便可以调用该发布器的.publish 来进行消息的发布。

其余部分的解释可以看代码中的注释。

2.4 修改 `CMakeLists.txt` 文件

在编写了发布器的程序以后，我们还必须在 CMakeLists 文件中进行声明，以便让编译器知道应该编译新增的文件。

在 CMakeLists 文件的最后一行加入下面两行代码：

add_executable(my_minimal_publisher src/minimal_publisher.cpp) # 第一个参数是生成后的可执行文件名 第二个参数
# 是源文件路径名
target_link_libraries(my_minimal_publisher ${catkin_LIBRARIES}) # 链接库

然后关闭文件，打开终端，导航到目录 ~/catkin_ws/ 下，运行命令 catkin_make 即可编译我们刚刚创建的文件。

有可能你的输出结果和我这里显示的不同，因为我已经编译过了，所以编译器没有执行任何动作。

在上面的编译过程没有出现问题的情况下，那么你的编译就成功了，接下来我们来运行我们刚刚编写的发布器。

类似于 $PATH 变量，ROS 也有自己的路径变量，用来搜索所有的 ROS 包，因为到这里我们还没有将我们的 ROS 包加入到 ROS 路径中去，因此在运行的时候会找不到我们的 ROS 包。

不过幸运的是，ROS 帮我们生成了一个方便的编译脚本，位于路径 ~/catkin_ws/devel/setup.bash 下。如果我们直接运行 source ~/catkin_ws/devel/setup.bash 那么只会在当前的终端下生效，当你重新打开一个终端，又会无效。因此，我们需要将上面的命令加入到启动脚本中，运行下面的命令完成：

echo "source  ~/catkin_ws/devel/setup.bash" >>  ~/.bashrc

之后你的终端在启动时都将首先运行该命令，然后 ROS 就可以找到你的程序了。

打开终端，运行命令：

roscore # 启动 ROS Master

然后运行：

 rosrun my_minimal_node my_minimal_publisher # 启动发布器

启动以后，尽管看起来什么都没有发生，但是事实上发布器已经在不断发布消息了。下面我们用 ros 工具来查看该发布器。

运行命令：

rosnode list # rosnode list 用来列出当前 ROS 中运行的节点名

我们可以得到当前 ROS 系统运行的节点名称，可以看到我们初始化的节点名称出现在了该列表中，证明我们的发布器的确在运行中。

然后运行命令：

rostopic list # rostopic list 用来列出当前 ROS 中所有的话题名

同样可以看到我们注册的话题名称topic1。

然后运行命令：

rostopic  hz /topic1 # rostopic hz 用来检查话题的发布频率

可以看到发布平均频率是 3.3kHz，发布频率比较高，因此造成的问题是长时间占用 CPU。如下图所示：

这一问题在之后我们将使用 sleep 方法来设置一个合适的发布频率。

然后运行命令：

rostopic echo -n1 /topic1 # rostopic echo 用来显示话题的消息 -n1 代表只接收一次

可以看出输出值为 192239.12749，因此通过简单的计算便可以得出程序已经循环了19223912 次左右。

ROS 编写第一个发布器程序

以上所有过程我录制了一个视频，在浏览文章过程中如果遇到问题，您可以查看视频来看看我是怎么做的。

1. ROS

1.1 ROS 文件系统

1.2 ROS 概念

2. 在 ROS 中实现一个发布器

2.1 创建工作区和包

2.2 修改`package.xml`

2.3 编写第一个简单的 ROS 程序 - 发布器

2.4 修改 `CMakeLists.txt` 文件

3. 运行你的发布器

3.1 将工作区路径加入你的终端

3.2 启动发布器

视频

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ROS编写第一个发布器Publisher

1. ROS

1.1 ROS 文件系统

1.2 ROS 概念

2. 在 ROS 中实现一个发布器

2.1 创建工作区和包

2.2 修改package.xml

2.3 编写第一个简单的 ROS 程序 - 发布器

2.4 修改 CMakeLists.txt 文件

3. 运行你的发布器

3.1 将工作区路径加入你的终端

3.2 启动发布器

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2.2 修改`package.xml`

2.4 修改 `CMakeLists.txt` 文件

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