ROS2教程03 ROS2节点

ROS2节点

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学习目标

熟悉ROS2的节点概念
了解ROS2节点相关的命令行工具操作
熟悉节点的代码编写和编程思想

难度级别

初级	中级	高级
	√

预计耗时

30 mins

学习前提

对象	类型	状态
ROS2 Humble	软件	已安装
Ubuntu22.04操作系统	软件	已确认
Shell的基本使用	知识	已了解

什么是节点（Node）？

ROS 中的每个节点（Node）通常负责单一的模块化目的，例如控制车轮电机或发布来自激光测距仪的传感器数据。每个节点都可以通过主题（Topic）、服务（Service）、操作（Action）或参数（Parameter）从其他节点发送和接收数据。

在这里插入图片描述

节点的特性

节点是独立的
每个节点都具备独立性，负责执行特定的模块化任务
节点负责执行机器人系统中的具体任务
不同的节点可以负责机器人系统中的不同任务，例如一个节点（A节点）可以处理视觉数据，另一个节点（B节点）可以负责运动
节点可以分布在不同的硬件载体上
节点之间的通信可以跨架构，例如PC是x86架构的，而机器人身上的主控是arm架构的，两个不同的硬件载体上的节点都可以发送和接收数据
不同节点可以用不同的编程语言来写
节点可以用Python和C++编写，并且功能基本一致，因此不需要考虑编程语言的区别

如何使用一个节点？

要使用一个ROS 2节点，可以使用 ros2 run 命令来启动位于相应功能包（Package）中的可执行文件（节点）。以下是使用此命令的步骤：

打开终端窗口。
使用以下命令格式启动节点：
```
ros2 run <package_name> <executable_name>
```
这里，<package_name> 是功能包的名称，而 <executable_name> 是要启动的节点的可执行文件名称。

例如，如果要启动位于 turtlesim 功能包中的 turtlesim_node 节点，可以执行以下命令：
```
ros2 run turtlesim turtlesim_node
```
这将启动 turtlesim_node 节点，使用乌龟仿真（Turtlesim）功能包中的模拟乌龟控制器。可以根据功能包和节点的名称来自定义命令，以启动需要的节点。

如何查看节点相关的信息？

要查看节点相关的信息，可以使用以下命令：

列出当前正在运行的所有节点，使用 ros2 node list 命令：
```
ros2 node list
```
这将显示当前正在运行的所有ROS 2节点的名称列表。
如果想要启动另一个节点并查看更新后的节点列表，可以执行以下步骤：
- 首先，启动一个新的节点，例如 turtle_teleop_key，使用以下命令：
```
ros2 run turtlesim turtle_teleop_key
```
- 然后，检查当前节点列表，使用 ros2 node list 命令：
```
ros2 node list
```
这将列出包括新启动的 turtle_teleop_key 节点在内的所有节点名称。
若要查看有关特定节点的详细信息，可以使用 ros2 node info 命令，后跟节点名称，如下所示：
```
ros2 node info <node_name>
```
其中 <node_name> 是要查看详细信息的节点的名称。这将显示有关节点的各种信息，包括节点的交互信息和自身的参数。

如何编写一个节点？

节点编写的基本思想

编写一个节点与一般编程相似，可以采用面向过程或面向对象的编程思想。对于复杂的机器人应用，通常使用面向对象的思想，以实现模块化和可维护性。

节点编写的基本流程

编写一个节点的基本流程包括以下步骤：

编程API初始化： 首先，需要初始化ROS的编程接口，比如rclpy，rclpy是ROS Client Library for Python的缩写，与Node有关的内容在这个库中。
创建节点并初始化： 接下来，创建一个节点并进行初始化。节点是机器人应用中的基本单元，负责执行特定的任务或功能。
实现节点功能： 在节点中实现具体的功能。这包括处理传感器数据、执行动作、通信等任务，根据应用需求编写相应的代码。
销毁节点并关闭接口： 最后，在节点的工作完成后，需要销毁节点并关闭编程接口，释放资源并确保系统正常退出。

示例：编写一个简单的节点

0.前置工作

如果尚未创建功能包来保存代码，那么需要先创建一个功能包，功能包是实现ROS2中基本功能的一个单位，此处不作讨论，将在之后的课程中讲解。

# Go to your src
cd ~/ros2_workspace/src
# Create ros2_learning package
ros2 pkg create --build-type ament_python ros2_learning

1.编写代码

下面是一个使用面向过程编程思想，以Python语言编写一个发布"Hello World"日志信息的简单节点的示例代码：

# Go to package
cd ros2_learning/ros2_learning
# Create file
touch hello_world_demo.py

#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-
# Description: Python ROS2 demo(面向过程编程)
import rclpy  # rclpy是ROS 2的Python客户端库，用于与ROS 2相关的操作。
from rclpy.node import Node  # 引入Node类
import time  # 引入time库


# 下面的部分是ROS2节点主入口main函数
def main(args=None):  # 主函数
    rclpy.init(args=args)  # 初始化 rclpy ROS2的python编程接口
    nodename = Node("hello_world_demo_procedural_programming")  # 创建ROS2节点对象并进行初始化
    while rclpy.ok():  # 当ROS就绪并正常运行
        nodename.get_logger().info("Hello World!")  # 发布日志信息
        time.sleep(1)                        # 休眠1秒
    nodename.destroy_node()  # 销毁节点
    rclpy.shutdown()  # 关闭ROS2的Python接口


if __name__ == '__main__':
    main()

这个示例代码演示了一个简单节点的编写过程，它初始化ROS2接口，创建节点对象，循环发布"Hello World"的日志信息，然后在系统退出时销毁节点和关闭接口。

更为推荐的做法是采用面向对象的编程方法。机器人自身天然适合作为对象来进行建模和控制。如果打算采用面向对象的方法来开发机器人控制软件，以下是一些示例代码，以帮助更好地理解和实施这一方法：

#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-
# Description: 这是一个 Python ROS2 示例，演示了如何使用ROS 2中的面向对象编程。

import time
import rclpy  # rclpy是ROS 2的Python客户端库，用于与ROS 2相关的操作。
from rclpy.node import Node  # 引入Node类


class HelloWorldNode(Node):
    def __init__(self, node_name):
        super().__init__(node_name)  # 调用父类 Node 的构造函数，使用提供的节点名称进行初始化。
        while rclpy.ok():  # 当系统正常运行时
            self.get_logger().info("Hello World!")  # 记录日志输出 "Hello World!"
            time.sleep(1)  # 休眠1秒，然后再循环。


def main(args=None):
    rclpy.init(args=args)  # 初始化ROS 2
    node = HelloWorldNode("hello_world_demo_object_oriented_programming")  # 创建一个ROS 2节点对象并初始化。
    rclpy.spin(node)  # 进入ROS的循环，等待节点销毁信号。
    node.destroy_node()  # 销毁节点对象。
    rclpy.shutdown()  # 关闭ROS 2接口。


if __name__ == '__main__':
    main()

2.为功能包添加依赖

在代码的编译或者运行过程中，通常需要引入一些外部依赖包。为了确保编译或运行顺利进行，我们需要在功能包目录下的package.xml文件中声明这些依赖项。下面是必须添加的内容：

<exec_depend>rclpy</exec_depend>

这些语句表明了功能包的依赖关系，以确保在功能包的代码执行时所需的依赖包已经安装。
此外，你还可以添加额外的信息，比如功能包的描述、维护者和许可证，如示例所示：

<description>ROS2 learning demos</description>
<maintainer email="hermanye233@icloud.com">Herman Ye</maintainer>
<license>Apache License 2.0</license>

在这里插入图片描述

3.添加入口点

为了使系统知道 Python 程序的入口点在哪里，你需要在setup.py文件中添加入口点。下面是必须添加的内容：

打开setup.py，添加入口点
在entry_points下的这个位置添加以下命令

"hello_world_demo_node = ros2_learning.hello_world_demo:main",

这行代码定义了一个入口点，它告诉系统如何运行功能包中的节点。具体示例形式如下：

    entry_points={
        "console_scripts": [
            "hello_world_demo_node = ros2_learning.hello_world_demo:main",
        ],
    },
)

此外，你还可以添加一些额外的信息，如维护者、维护者的电子邮件地址、功能包描述和许可证信息：

maintainer='Herman Ye',
maintainer_email='hermanye233@icloud.com',
description='ROS2 learning demos',
license='Apache License 2.0',

在这里插入图片描述

4. 检查 setup.cfg【可选】

setup.cfg 文件是用于配置 Python 包的元数据和其他信息的文件，尤其是用于定义 Python 包的 setuptools 配置。 ROS2 功能包也使用 setup.cfg 来配置包的元数据和依赖关系。

[develop]

script_dir=$base/lib/ros2_learning：这个部分通常用于配置在开发模式下（使用python setup.py develop）运行包时的一些参数。script_dir 参数指定了脚本的目录，通常这些脚本用于在开发期间启动和管理功能包。在这里，$base 是一个变量，它可能代表功能包的根目录，这个参数告诉 ROS 或 setuptools，在开发模式下，将脚本放在 lib/ros2_learning 目录中。

[install]

install_scripts=$base/lib/ros2_learning：这个部分通常用于配置在安装功能包时（使用python setup.py install）将哪些文件复制到安装目录中。install_scripts 参数指定要安装的脚本文件的目录。在这里，与 [develop] 部分类似，$base 可能代表功能包的根目录，该参数告诉 setuptools 或 ROS 在安装包时将脚本文件复制到 lib/ros2_learning 目录中。

它在这个功能包里的作用是指定功能包的可执行文件所在的目录，这些可执行文件将被放置在lib目录下。这些配置确保了在使用ros2 run命令时，系统将会在lib目录中找到这些可执行文件并执行它们。

以下是setup.cfg文件的示例内容：

[develop]
script_dir=$base/lib/ros2_learning

[install]
install_scripts=$base/lib/ros2_learning

需要注意的是，setup.cfg文件通常是自动生成的，无需手动编辑，除非有特殊需求。
在这里插入图片描述

5.编译工作空间

在最后，编译工作空间，相关命令在之后的课程里会讲解，此处不涉及。

# Go to your workspace
cd ~/ros2_workspace
# Build workspace
colcon build --symlink-install

Troubleshooting:

弃用警告

在这里插入图片描述

ROS2的工作空间编译使用了setuptools，ROS2 Rolling 到 Python3.10 的过渡最近才发生，这可能是由此产生的问题之一，因此需要执行以下命令：

pip install setuptools==58.2.0

在这里插入图片描述

重新编译工作空间，该错误不再发生。
在这里插入图片描述

6.测试节点

# Set workspace env in current terminal
source ~/ros2_workspace/install/setup.bash
# Run hello world demo node
ros2 run ros2_learning hello_world_demo_node

ROS2的node相关命令行工具

ROS 2的节点相关命令行工具提供了轻松管理ROS 2节点的能力。比如说ros2 node info和ros2 node list。
在这里插入图片描述

① ros2 node info

ros2 node info命令允许用户获取有关特定节点的详细信息，包括其订阅者（Subscribers）、发布者（Publishers）、服务服务器（Service Servers）、服务客户端（Service Clients）、动作服务器（Action Servers）和动作客户端（Action Clients）等信息。这是通过提供节点的名称作为参数来实现的。

例如，要检索有关名为"turtlesim"的节点的信息，可以执行以下命令：

ros2 node info /turtlesim

在这里插入图片描述

② ros2 node list

ros2 node list命令用于查看当前运行的ROS 2节点的列表。这有助于用户了解系统中哪些节点处于活动状态，以及可以使用哪些节点进行通信或监控。执行此命令后，将列出所有活跃的ROS 2节点的名称。

ros2 node list

在这里插入图片描述

③ 对节点名进行重映射

有时可能会需要进行节点名称的重新映射，以便在ROS 2中为节点提供新的标识。这个过程允许在运行节点时，为其指定一个不同的名称，从而使其能够在整个系统中以新名称运行，同时保留原始节点的功能。这种功能对于实现多节点系统以及避免名称冲突非常有用，特别是需要启动多个相同的节点时，可以通过重映射命令创建多个不同名称的同类型对象。

要进行节点名称的重新映射，可以使用--ros-args参数和--remap选项，其语法如下：

ros2 run package_name executable_name --ros-args --remap __node:=new_node_name

这里的package_name代表ROS 2软件包名称，executable_name是要运行的节点的可执行文件名称，original_node_name是原始节点名称，而new_node_name则是希望为节点分配的新名称。

例如，如果同时要运行两个小乌龟的demo，想要将名为"turtlesim_node"的节点的名称从"/turtlesim"重映射为"/renamed_turtle"，可以使用以下命令：

ros2 run turtlesim turtlesim_node --ros-args --remap __node:=renamed_turtle

在这里插入图片描述

可以看到通过--remap成功修改了要启动的节点名，不再是/turtlesim而是/renamed_turtle
在这里插入图片描述
思考：
如果不重映射名字，同时开两个小乌龟节点会发生什么？
如果此时进行速度控制，又会发生什么？
如果分别给两个小乌龟节点起不同的名字，此时再运行速度控制节点，又会发生什么？