ROS是多进程(节点)的分布式框架，一个完整的ROS系统实现：

可能包含多台主机；
每台主机上又有多个工作空间(workspace)；
每个的工作空间中又包含多个功能包(package)；
每个功能包又包含多个节点(Node)，不同的节点都有自己的节点名称；
每个节点可能还会设置一个或多个话题(topic)...

在多级层深的ROS系统中，其实现与维护可能会出现一些问题，比如，如何关联不同的功能包，繁多的ROS节点应该如何启动？功能包、节点、话题、参数重名时应该如何处理？不同主机上的节点如何通信？

本章主要内容介绍在ROS中上述问题的解决策略(见本章目录)，预期达成学习目标也与上述问题对应：

• 掌握元功能包使用语法；

• 掌握launch文件的使用语法；

• 理解什么是ROS工作空间覆盖，以及存在什么安全隐患；

• 掌握节点名称重名时的处理方式；

• 掌握话题名称重名时的处理方式；

• 掌握参数名称重名时的处理方式；

• 能够实现ROS分布式通信。

1.ROS元功能包

场景:完成ROS中一个系统性的功能，可能涉及到多个功能包，比如实现了机器人导航模块，该模块下有地图、定位、路径规划...等不同的子级功能包。那么调用者安装该模块时，需要逐一的安装每一个功能包吗？

显而易见的，逐一安装功能包的效率低下，在ROS中，提供了一种方式可以将不同的功能包打包成一个功能包，当安装某个功能模块时，直接调用打包后的功能包即可，该包又称之为元功能包(metapackage)。

概念

MetaPackage是Linux的一个文件管理系统的概念。是ROS中的一个虚包，里面没有实质性的内容，但是它依赖了其他的软件包，通过这种方法可以把其他包组合起来，我们可以认为它是一本书的目录索引，告诉我们这个包集合中有哪些子包，并且该去哪里下载。

例如：

• sudo apt install ros-noetic-desktop-full 命令安装ros时就使用了元功能包，该元功能包依赖于ROS中的其他一些功能包，安装该包时会一并安装依赖。

还有一些常见的MetaPackage：navigation moveit! turtlebot3 ....

moveit：ROS中机械臂相关的

turtlebot3：ROS官方指定的机器人

作用

方便用户的安装，我们只需要这一个包就可以把其他相关的软件包组织到一起安装了。

实现

首先:新建一个功能包  plumbing_my  不用添加依赖

然后:修改package.xml ,内容如下:

 <exec_depend>被集成的功能包</exec_depend>
 .....
 <export>
   <metapackage />
 </export>

//我的工程是这样修改的
  <buildtool_depend>catkin</buildtool_depend>
  <exec_depend>plumbing_pub_sub</exec_depend>
  <exec_depend>plumbing_sever_client</exec_depend>
  <exec_depend>plumbing_param_server</exec_depend>

  <!-- The export tag contains other, unspecified, tags -->
  <export>
    <metapackage />

  </export>

最后:修改 CMakeLists.txt,内容如下:

cmake_minimum_required(VERSION 3.0.2)
project(plumbing_my)
find_package(catkin REQUIRED)
catkin_metapackage()

PS:CMakeLists.txt 中不可以有换行。

2.ROS节点运行管理launch文件

关于 launch 文件的使用我们已经不陌生了，在第一章内容中，就曾经介绍到:

一个程序中可能需要启动多个节点，比如:ROS 内置的小乌龟案例，如果要控制乌龟运动，要启动多个窗口，分别启动 roscore、乌龟界面节点、键盘控制节点。如果每次都调用 rosrun 逐一启动，显然效率低下，如何优化?

采用的优化策略便是使用roslaunch 命令集合 launch 文件启动管理节点，并且在后续教程中，也多次使用到了 launch 文件。

概念

launch 文件是一个 XML 格式的文件，可以启动本地和远程的多个节点，还可以在参数服务器中设置参数。

作用

简化节点的配置与启动，提高ROS程序的启动效率。

使用

以 turtlesim 为例演示

1.新建launch文件

在功能包launch01_basic下添加launch目录，目录下新建start_turtle.launch,如下

<launch>
    <node pkg="turtlesim" type="turtlesim_node"     name="my_turtle" output="screen" />
    <node pkg="turtlesim" type="turtle_teleop_key"  name="my_key" output="screen" />
</launch>

2.调用 launch 文件

roslaunch plumbing_my start_turtle.launch

 注意:roslaunch 命令执行launch文件时，首先会判断是否启动了 roscore,如果启动了，则不再启动，否则，会自动调用 roscore

PS:本节主要介绍launch文件的使用语法，launch 文件中的标签，以及不同标签的一些常用属性。

2.1 launch文件标签之launch

<launch>标签是所有 launch 文件的根标签，充当其他标签的容器

<launch deprecated="此文件已过时，不建议使用">

1.属性

deprecated = "弃用声明"

告知用户当前 launch 文件已经弃用

2.子级标签

所有其它标签都是launch的子级

2.2 launch文件标签之node

<node>标签用于指定 ROS 节点，是最常见的标签，需要注意的是: roslaunch 命令不能保证按照 node 的声明顺序来启动节点(节点的启动是多进程的)

1.属性

• pkg="包名"

  节点所属的包

• type="nodeType"

  节点类型(与之相同名称的可执行文件)

• name="nodeName"

  节点名称(在 ROS 网络拓扑中节点的名称)

• args="xxx xxx xxx" (可选)

  将参数传递给节点

• machine="机器名"

  在指定机器上启动节点

• respawn="true | false" (可选)

  如果节点退出，是否自动重启

• respawn_delay=" N" (可选)

  如果 respawn 为 true, 那么延迟 N 秒后启动节点

• required="true | false" (可选)

  该节点是否必须，如果为 true,那么如果该节点退出，将杀死整个 roslaunch

• ns="xxx" (可选)

  在指定命名空间 xxx 中启动节点

• clear_params="true | false" (可选)

  在启动前，删除节点的私有空间的所有参数

• output="log | screen" (可选)

  日志发送目标，可以设置为 log 日志文件，或 screen 屏幕,默认是 log

2.子级标签

• env 环境变量设置

• remap 重映射节点名称

• rosparam 参数设置

• param 参数设置

<!-- <launch deprecated="此文件已过时，不建议使用"> -->
<launch>
    <!-- 启动的节点 -->
    <!-- respawn="true" 节点关闭后自动重启 -->
    <!-- required="true" 节点退出关闭整个系统 -->
    <!-- ns="hello" 设置节点的命名空间 -->
    <!-- param 使用：向参数服务器设置参数 -->
    <!-- 格式1：launch 下，node外 -->
    <param name="param_A" type="int" value="100" />
    <!-- rosparam 使用：操作参数服务器数据 -->
    <!-- 加载参数 -->
    <rosparam command="load" file="$(find launch01_basic)/launch/params.yaml" />
    <!-- 导出参数 -->
    
    <node pkg="turtlesim" type="turtlesim_node" name="my_turtle" output="screen">
        <remap from="/turtle1/cmd_vel" to="/cmd_vel" />
        <!-- 格式2：node 下 -->
        <param name="param_B" type="double" value="3.14" />
        <!-- 格式2：node 下 -->
        <rosparam command="load" file="$(find launch01_basic)/launch/params.yaml" />    
    </node>
    <!-- 键盘控制节点 -->
    <node pkg="turtlesim" type="turtle_teleop_key" name="my_key" output="screen" />
</launch>

2.3 launch文件标签之include

include标签用于将另一个 xml 格式的 launch 文件导入到当前文件

1.属性

• file="$(find 包名)/xxx/xxx.launch"

  要包含的文件路径

• ns="xxx" (可选)

  在指定命名空间导入文件

2.子级标签

• env 环境变量设置

• arg 将参数传递给被包含的文件

在launch文件下新建start_turtle_use.launch文件，代码如下

<!-- 需要复用 start_turtle.launch -->
<launch>
<!-- 包含 -->
<include file="$(find launch01_basic)/launch/start_turtle.launch" />
<!-- 其他节点 -->
</launch>

roscore

roslaunch launch01_basic  start_turtle_use.launch

 可以控制乌龟运动

2.4 launch文件标签之remap

用于话题重命名

1.属性

• from="xxx"

  原始话题名称

• to="yyy"

  目标名称

2.子级标签

• 无

roslaunch launch01_basic start_turtle.launch

rosrun teleop_twist_keyboard teleop_twist_keyboard.py

rostopic list

 执行后效果，由于二者通信话题不一致，所以无法订阅通信

 

 <remap from="/turtle1/cmd_vel" to="/cmd_vel" />

start_turtle.launch对应的是/turtle1/cmd_vel  teleop_twist_keyboard对应的话题是/cmd_vel

 继续执行如下节点

roslaunch launch01_basic  start_turtle.launch

rosrun teleop_twist_keyboard teleop_twist_keyboard.py

 使用rqt_graph命令查看话题消息，可以看到/teleop_twist_keyboard 与/my_turtle通过/cmd_vel建立通信，而自定义的/my_key不能与其通信

 在未使用remap之前，/my_key与/my_turtle通过/turtle1/cmd_vel建立通信，而/teleop_twist_keyboard不能与其通信，因为/teleop_twist_keyboard需要/cmd_vel来订阅，节点图如下

2.5 launch文件标签之param

<param>标签主要用于在参数服务器上设置参数，参数源可以在标签中通过 value 指定，也可以通过外部文件加载，在<node>标签中时，相当于私有命名空间。

1.属性

• name="命名空间/参数名"

  参数名称，可以包含命名空间

• value="xxx" (可选)

  定义参数值，如果此处省略，必须指定外部文件作为参数源

• type="str | int | double | bool | yaml" (可选)

  指定参数类型，如果未指定，roslaunch 会尝试确定参数类型，规则如下:

  • 如果包含 '.' 的数字解析未浮点型，否则为整型

  • "true" 和 "false" 是 bool 值(不区分大小写)

  • 其他是字符串

2.子级标签

• 无

roslaunch launch01_basic start_turtle.launch

2.6 launch文件标签之rosparam

<rosparam>标签可以从 YAML 文件导入参数，或将参数导出到 YAML 文件，也可以用来删除参数，<rosparam>标签在<node>标签中时被视为私有。

1.属性

• command="load | dump | delete" (可选，默认 load)

  加载、导出或删除参数

• file="$(find xxxxx)/xxx/yyy...."

  加载或导出到的 yaml 文件

• param="参数名称"

• ns="命名空间" (可选)

2.子级标签

• 无

新建一个导入文件的params.yaml和导出文件的dump.launch如下

bg_R: 100
bg_G: 50
bg_B: 255

<launch>
     <rosparam command="dump" file="$(find launch01_basic)/launch/params_out.yaml" />
     <!-- 删除参数 -->
     <rosparam command="delete" param="bg_B" />
</launch>

可以比较一下导入和导出的命令

//导入  装载
<rosparam command="load" file="$(find launch01_basic)/launch/params.yaml" />

//导出
<rosparam command="dump" file="$(find launch01_basic)/launch/params_out.yaml" />

 可以导出整个start_turtle.launch的所有的变量，如果<rosparam command="dump" file="$(find launch01_basic)/launch/params_out.yaml" />是写在start_turtle.launch中，则不会导出此行代码之后的变量

通过rosparam list命令查看有哪些变量

2.7 launch文件标签之group

<group>标签可以对节点分组，具有 ns 属性，可以让节点归属某个命名空间

1.属性

• ns="名称空间" (可选)

• clear_params="true | false" (可选)

  启动前，是否删除组名称空间的所有参数(慎用....此功能危险)

2.子级标签

• 除了launch 标签外的其他标签

在launch下新建turtles.launch

<launch>
     <!-- 启动两对乌龟GUI与键盘控制节点 -->

    <group ns="first">
       <node pkg="turtlesim" type="turtlesim_node" name="my_turtle" output="screen" />
       <node pkg="turtlesim" type="turtle_teleop_key" name="my_key" output="screen" />
    </group>
    <group ns="second">
       <node pkg="turtlesim" type="turtlesim_node" name="my_turtle" output="screen" />
       <node pkg="turtlesim" type="turtle_teleop_key" name="my_key" output="screen" />
    </group>
</launch>

roslaunch launch01_basic turtles.launch

rosnode list

 first second可以避免重名问题

总结：当节点比较多的时候可以使用group将节点分组管理，使代码看起来更简洁

2.8 launch文件标签之arg

<arg>标签是用于动态传参，类似于函数的参数，可以增强launch文件的灵活性

1.属性

• name="参数名称"

• default="默认值" (可选)

• value="数值" (可选)

  不可以与 default 并存

• doc="描述"

  参数说明

其实相当于一个全局变量，改变原始值，其它被引用的都会改变

<launch>
    <!-- 需求：演示arg的使用，需要设置多个参数，这些参数使用的是同一个值(小车的长度)，怎么设置？-->
     <!-- <param name="A" value="0.5" />
     <param name="B" value="0.5" />
     <param name="C" value="0.5" /> -->

     <arg name="car_length" default="0.55" />

     <param name="A" value="$(arg car_length)" />
     <param name="B" value="$(arg car_length)" />
     <param name="C" value="$(arg car_length)" />

</launch>