ROS Tutorial Introduction

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中央大學數學系上課所用的 ROS 教材，原文放在 hackmd 上，我會不定期更新過來

ROS Tutorial Introduction

此篇為中央大學數學系上課所用的 ROS 教材，若非修課生，Demo 部分需要注意一下自己的機器人設定。 原文放在 hackmd 上，我會不定期更新過來，若發現教材有誤，歡迎到 hackmd 上修改，或是可以發 issue 給我。

什麼是 ROS?

ROS 全名叫 Robot Operating System，但它其實是一種中介軟體(Middleware)，妳也可以說它是一個軟體框架(Software Framework)，所以他是一種抽象化的概念，不是應用程式，也不是作業系統。

那它主要會幫我們連結各個軟體和零件之間的溝通，並且會提供一些 logging 的工具，那機器人的中介軟體有很多，像是 ROS、JAUS、Mira 等等。

為什麼需要 ROS?

最一開始的狀況

最一開始大家都各寫各的，但要寫機器人是一件非常困難的事，妳需要熟知如何撰寫每種零件的 code，當然，有大神克服了，完成了很多作品。

然而當日子一久，機器人技術的規模和範圍不斷擴大，零件也越來越多，此時前面那位大神的 code 在別人手上可能就跑不起來了，因為零件不同。

這會造成一個問題，就算是同樣的功能的 code，由於每個人的零件不同，所以都還要再重寫一次，這就導致了代碼的重用性很低(重造輪子)，而且這類 code 的規模很大，而且還是需要從驅動層級開始寫的，因此非常不方便，且需要非常高的專業能力。

框架

因此就有人提出了框架的想法，什麼是框架? 框架是一種規則(思想)，其實就是某種半成品，框架提供了一個基礎的架構，就好像房子的地基和骨架一樣，必須配合妳自己寫的 code 才能生出一個完整的應用程式。

好處就是整個結構可以被重複使用，如果有了框架，那麼做東西就不需要再從頭建造了。

而前面也提到 ROS 算是一種軟體框架，ROS 幫我們把硬體與軟體之間的溝通都做好了，我們只需要寫我們「溝通的過程/效用」就好，而不用再從「溝通的原理」開始寫，也因此我們可以專注於開發演算法及其應用，同時也降低了高度專業能力的限制。

ROS 的架構

Peer to peer (P2P)

ROS 主要是依靠 P2P 架構實作的，講這個之前先讓大家稍微理解一下簡單的主從式架構：

image source：wikipedia

客戶端(clients) 會去向伺服器請求資料，這邊這個伺服器裡面有很多資料，像是客戶的帳密、金額，或是你遊戲帳號裡面的寶物有哪些之類的。以早期的線上遊戲來說，每次客戶端有更改資料的動作時都會發送一個請求(request) 給伺服器，假設你打了怪，賺到了 10 元，它就會把這個資訊送到伺服器上，伺服器就會幫你記錄下來；

而如果拿網頁舉例子，像是 FB，妳點了某個人的個人頁面，妳就會向伺服器發送一個請求(request)，伺服器收到這個請求後就會知道妳要進入這個人的個人頁面，因此將妳導向這個人的個人頁面，妳就成功進去了。

因此伺服器的權限非常的大，並且可以處理非常多的東西。

但這會有一個問題，那就是如果發送請求的人非常多，且請求發送的非常頻繁，那麼伺服器的速度可能就會變得非常慢，甚至當機掛掉，DDoS 的原理就是這樣。

那如果 ROS 使用了主從式架構，很有可能也會有類似的問題，因此 ROS 使用的是 Peer-To-Peer (一種分散式系統架構)，Middleware 通常都會是分散式系統架構：

image source：link

在這種架構下，每台電腦(節點)都同時是客戶端與伺服器端，所有人都負責儲存了全部或部分的所有資料，並且也都會處理收到的請求。

這樣做的優點是能夠擁有很好的平行處理能力，效能也會比較好，缺點是如果規模太大整個網路會很亂，且會很吃網路，但因為機器人的網路規模通常很小，所以不太會有這個問題，另一個缺點就是安全性，如果沒有做特別的處理，傳輸的文件可能會被動手腳，或是失真。

那 p2p 有一些變型，這邊舉三個例子，看下面這張圖：

image source：link

上面這三個分別為

  1. 中心化P2P

    英文為 Centralized P2P architecture

    • 有一個中心伺服器來幫忙連結溝通其他節點的訊息資料，並對這些請求做出回應 (但本身並不保存檔案)
    • 節點負責處理、發布訊息資料，讓中心伺服器知道節點需要什麼檔案、資料，讓其他節點下載資源
    • 有 index 可以找到絕對地址

    例子像是最初的 Napster

  2. 純P2P

    英文為 Pure P2P architecture

    • 節點同時是客戶端和伺服器端
    • 沒有中心伺服器

    例子像是 Gnutella

  3. 混合型P2P

    英文為 Hybrid P2P architecture

    • 有多個伺服器來處理其他節點的訊息資料
    • 同時有上面兩個的特性

    例子像是 Skype

那麼 ROS 的架構是第一種，Centralized P2P：

image source：RSL ROS Tutorial

我們會有一片樹梅派來跑 server 的 code，或是像我們一樣用主機來跑 server 的 code，然後各個零件能夠互相傳遞、存取資料。

架構及名詞解釋

現在我們已經知道 ROS 是用 P2P 來實作的了，那麼現在我們要來簡單看一下這些東西在 ROS 裡面的名詞及概念。

Node

在 ROS 裡面，P2P 架構裡面的一個節點我們叫他 Node，Node 是一個你跑起來的程序(Process)，一個完整的系統會有很多個 Node。

一個 Node 通常會是有單一功能的 Process，當然妳一個 Node 要有很多功能也可以，總之核心概念就是模組化(Modular Design)。

舉個例子，一個簡單的導航程式，裡面可能是有一個 Node 是操控雷達，一個 Node 操控馬達、輪子，一個 Node 計算自己的定位(Localization)，一個 Node 來計算路徑規劃，一個 Node 顯示圖形介面，等等。

所以你可以看見它其實就是很多個 Process 組合起來的，那麼這些 code 妳可以用 roscpp 或 rospy 來寫，好像還有其他另外支援的語言套件，但我只熟這兩個了。

Master

Master 是一個特殊的 Node，也就是我們前面所說的 Server，Master 會幫忙查找 Node，紀錄妳想傳遞的訊息的種類等等。

如果沒有 Master，Node 與 Node 間會找不到對方，妳的資料傳遞、設備呼叫請求等等的溝通就會失效。

Messages

上面有說一個完整的系統會有很多個 Node，那麼 Node 間要傳遞資料需要靠 Messages 來溝通。

Message 是一種資料結構，裡面會有 type field，type field 通常指的是一個基類(base class) 裡面的變數，這個變數會拿來當作子類的 type 來使用，舉個例子(來源)：

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#include <iostream>

class Pet {
  public:
    enum PetType { Dog, Cat, Bird, Fish };

    void ToString() const {
        switch ( type ) {
            case PetType::Dog:
                std::cout << "Dog" << std::endl;
                break;
            case PetType::Cat:
                std::cout << "Cat" << std::endl;
                break;
            case PetType::Bird:
                std::cout << "Bird" << std::endl;
                break;
            case PetType::Fish:
                std::cout << "Fish" << std::endl;
                break;
        }
    }

  protected:
    PetType type;    // A type field.
};

class Dog : public Pet {
  public:
    Dog() { type = PetType::Dog; }
};

void Test( const Pet &p ) {
    p.ToString();
}

int main() {
    Dog d;
    Test( d );
    return 0;
}

上面的 Pet::type 就是一個 type field，在 Dog 這個子類裡面我們用 type 來當作了它的型態。

Messeage 裡面可以有標準的基本型態，整數、浮點數、布林值之類的，也可以是基本型態的陣列，且 Message 內可以包含巢狀類(nested class)。

Topic

Message 在發布時我們會給它加上 Topic，妳可以把 Message 想像成一個箱子，Node 間要傳遞資料時會把資料放到這個箱子裡面，並在這個箱子上面貼上一個標籤，這個標籤就是 Topic。

覺得太抽象的話可以看下面那個小節的圖。

Publisher & Subscriber

讓我們先小整理一下，Message 是 Node 間拿來溝通的工具，因此 Message 由 Node 發布，也由 Node 接收。

於是在 ROS 裡面，發布 Message 出來的 Node 我們叫它 Publisher，接收 Message 的 Node 我們叫它 Subscriber，看看下面這張圖：


Node 會通過 Topic 來找要接收它需要的訊息，我們稱之為訂閱，例如規劃路徑的 Node 希望和雷達的 Node 拿掃到的資料，那麼規劃路徑的 Node 就是 Subscriber，雷達的 Node 則是 Publisher

而 Message 裡面可能裝很多個整數的陣列，Topic 可能是「雷達資料」，以上方那個圖來說就是：

而同一種 Topic 的 Message 也可以由不同的 Node 發布，也就是有不同的 Publisher 發布同樣 Topic 的 Message； 例如妳雷達有兩顆，而且妳為他們寫了兩個 Node，那麼這兩個 Node 都可以發布「雷達資料」這種 Topic 的 Message：

同理，同一種 Topic 的 Message 也可以有不同的 Node 訂閱，有就是有不同的 Subscriber 訂閱同樣 Topic 的 Message； 例如規劃路徑的 Node 需要雷達的資料，建地圖的 Node 也需要雷達的資料，那這兩個 Node 都可以訂閱「雷達資料」這種 Topic 的 Message。

如果一個 Node 同時在收資料與發資料，那這個 Node 就同時是 Subcriber 與 Publisher。

資訊的傳遞

實際上在傳遞資訊時還會需要 Master 來幫忙 Node 之間的通訊，那麼 ROS 的訊息傳送時是使用 TCP/IP 協定的連線，且一旦兩個訊息接起來後就不會再經過 Master 了：

一開始 Publisher 會先去向 Master 註冊，然後 Publisher 就會開始發布它的訊息(封包)；而當 Subscriber 需要相對應的訊息時就會去詢問 Master，那當它訂閱到那個 Topic 時它們就建立了連線，不再透過 Master 來傳遞資訊。

所以 Master 會負責 Node 之間的通訊，他們之間是 TCP/IP 協定的連線。

而因為 Middleware 會做序列化(Serialization)，所以你 C++ 寫出來的 Node 和 Python 寫出來的 Node 也可以溝通。

Package

Package 是一個 ROS 軟體的基本單位，Package 會有裡面會有很多個 Node，然後可能會包含有相關的函式庫、資料集(dataset)、配置文件(configuration file)，或其他能幫助你整合、規劃專案的檔案。

換句話說，Package 是妳在建立和發布專案時最基本的單位，因為妳的專案很可能是程式與程式之間在溝通的，妳把那些 Node 整合起來，配合妳自己寫的函式庫，蒐集的資料等等的，整個包裝起來成一個能讓別人使用的程式，這樣的東西就是一個 Package。

Demo (By OG)

VB image

Ubuntu & Linux

Ubuntu是基於Debian，以桌面應用為主的Linux發行版。Ubuntu有三個正式版本，包括電腦版、伺服器版及用於物聯網裝置和機器人的Core版。前述三個版本既能安裝於實體電腦，也能安裝於虛擬電腦。

Terminal & CLI

linux 基本指令 ：

cd：用以移動到目標路徑

cp：複製檔案到指定路徑

mv：移動檔案到指定路徑

rm：刪除檔案

ls：顯示當前路徑下的資料夾與檔案

nano：一種CLI的編輯軟體

vim：一種CLI的編輯軟體

SSH ：

Secure Shell是一種加密的網路傳輸協定，可在不安全的網路中為網路服務提供安全的傳輸環境。SSH通過在網路中建立安全隧道來實現SSH客戶端與伺服器之間的連接。SSH最常見的用途是遠端登入系統，人們通常利用SSH來傳輸命令列介面和遠端執行命令。

ssh username@server_location -p port

username：遠端操作時的使用者帳號

server_location：你要連接的電腦，可能是ip或URI

port：ssh 專用的port，預設為22

請注意，接下來開始會有兩台主機進行運作。一台是你的電腦，一台是機器人。
請留意你到底是在哪台機器上操作！！！

ROS

roscore & rosrun & roslaunch

在運行node之前都必須先啟動master，master就是ROS系統中負責管理Node的一個功能，他負責node與node之間的溝通橋樑，因此在執行node之前一定要先把master開啟。然後在ros中提供兩種方法去執行你的Node，一種是rosrun、一種是roslaunch。

roscore

roscore可以讓你啟動master

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roscore

rosrun

rosrun可以讓你去執行特定package下的code，使用方法如下

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rosrun <package> <executable>
## exaple
rosrun hypharos_minibot main

roslaunch

roslaunch則透過預先設定的launch file幫你一次開啟很多程式

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## 因為launch file 是放在某個package底下，還是要加package
roslaunch <package> <launch file>
## example
roslaunch hypharos_minibot project_sample.launch

rosnode & rostopic

在ros中你可以使用以下兩種指令去檢視正在運行的node及topic

  • rosnode 動作 參數
  • rostopic 動作 參數

rosnode

在rosnode中提供以下幾種動作可以使用

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rosnode info <node_name>       #print information about node
rosnode kill <node_name>       #kill a running node
rosnode list                   #list active nodes
rosnode machine <machine-name> #list nodes running on a particular machine or list machines
rosnode ping <node_name>       #test connectivity to node
rosnode cleanup                #purge registration information of unreachable nodes

rostopic

在rostopic中提供以下幾種動作可以使用

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rostopic bw <topic_name>                          #display bandwidth used by topic
rostopic delay <topic_name>                       #display delay for topic which has header
rostopic echo <topic_name>                        #print messages to screen
rostopic find <msg-type>                          #find topics by type
rostopic hz <topic_name>                          #display publishing rate of topic
rostopic info <topic_name>                        #print information about active topic
rostopic list                                     #print information about active topics
rostopic pub <topic-name> <msg-type> [data...]    #publish data to topic
rostopic type <topic-name>                        #print topic type

機器人初連接

Turtlesim

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# initialize ros master
roscore

# launch turtlesim_node
rosrun turtlesim turtlesim_node

# using keyboard to control the turtle
rosrun turtlesim turtle_teleop_key

Minibot & Turtlebot

網路設定

筆電網卡設定
–>ipv4–>ip :10.0.0.2–>mask :255.255.255.0–>store

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gedit ~/.bashrc

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source ~/.bashrc

連線

使用新版VM
啟動機器人的指令，一定要在機器人上執行！!!

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# ssh連接機器人
ssh pi@10.0.0.1 ##passward=mrlrobot
# 假如是minibot下
roslaunch hypharos_minibot project_sample.launch
# 假如是turtlebot下
roslaunch turtlebot3_bringup turtlebot3_robot.launch

起動 rviz 視覺化套件

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rviz

遙控機器人

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2
#Extra moving !!!
roslaunch teleop teleop_key.launch