ROS机器人编程Python|极客笔记

ROS机器人编程Python

一、介绍ROS

Robot Operating System（ROS）是一个灵活且功能强大的机器人软件平台，它提供了一系列工具、库和约定，可以帮助开发者创建复杂的机器人应用程序。ROS最初是由斯坦福大学AI实验室开发的，如今已经成为了全球范围内使用最广泛的机器人操作系统之一。

ROS的设计理念是分布式的，模块化的，强调代码的重用性和可维护性。它提供了一系列的功能包，可以用于传感器数据的处理、控制算法的实现、仿真、机器人视觉、SLAM等领域。ROS通过封装硬件和算法，使得开发者可以专注于解决机器人应用的高层问题，而不用关心底层的通信和控制。

ROS的核心概念包括节点（Node）、话题（Topic）、服务（Service）和参数服务器（Parameter Server）等。节点是ROS中最基本的单元，它可以是一个传感器的驱动、控制算法、用户界面等。节点之间通过话题实现通信，一个节点可以发布消息到话题，而其他节点可以订阅该话题来接收消息。服务则是一种节点间的请求-响应机制，允许一个节点请求另一个节点的特定功能。

二、在ROS中使用Python

Python作为一种简洁、易学、功能强大的编程语言，在ROS中也是被广泛采用的。ROS提供了一系列的Python库（rospy），使得开发者可以使用Python来编写ROS节点、发布和订阅话题等。

1. 安装并配置ROS

在使用Python进行ROS编程之前，首先需要安装ROS并配置好开发环境。可以参考ROS官方网站提供的安装指南（http://wiki.ros.org/ROS/Installation）进行安装。安装完成后，需要设置环境变量，以便系统能够找到ROS的各种工具和库。

2. 编写第一个ROS节点

接下来，我们来演示如何使用Python编写一个简单的ROS节点，该节点用于发布一个字符串消息到一个话题中。

首先，创建一个ROS工作空间，并初始化工作空间：

$ mkdir -p ~/catkin_ws/src
$ cd ~/catkin_ws/
$ catkin_make
$ source devel/setup.bash

然后，在src目录下创建一个Python脚本文件talker.py，用于发布消息到名为chatter的话题：

#!/usr/bin/env python

import rospy
from std_msgs.msg import String

def talker():
    pub = rospy.Publisher('chatter', String, queue_size=10)
    rospy.init_node('talker', anonymous=True)
    rate = rospy.Rate(1)
    while not rospy.is_shutdown():
        hello_str = "hello world %s" % rospy.get_time()
        rospy.loginfo(hello_str)
        pub.publish(hello_str)
        rate.sleep()

if __name__ == '__main__':
    try:
        talker()
    except rospy.ROSInterruptException:
        pass

接着，需要为该Python脚本添加执行权限，并将其置于catkin工作空间下编译：

$ chmod +x talker.py
$ cp talker.py ~/catkin_ws/src/
$ cd ~/catkin_ws/
$ catkin_make

最后，启动ROS核心，并运行该节点：

$ roscore
$ rosrun beginner_tutorials talker.py

现在，你应该可以看到终端上输出类似如下的信息：

[INFO] [1562756735.459727]: hello world 1562756735.459492
[INFO] [1562756736.459727]: hello world 1562756736.459492
[INFO] [1562756737.459727]: hello world 1562756737.459492
...

3. 编写订阅节点

除了发布节点外，我们也可以使用Python来编写订阅节点，用于接收其他节点发布的消息。

在src目录下创建一个Python脚本文件listener.py，用于订阅chatter话题并输出消息：

#!/usr/bin/env python

import rospy
from std_msgs.msg import String

def callback(data):
    rospy.loginfo(rospy.get_caller_id() + "I heard %s", data.data)

def listener():
    rospy.init_node('listener', anonymous=True)
    rospy.Subscriber('chatter', String, callback)
    rospy.spin()

if __name__ == '__main__':
    listener()

同样，需要为该脚本添加执行权限，并编译运行：

$ chmod +x listener.py
$ cp listener.py ~/catkin_ws/src/
$ cd ~/catkin_ws/
$ catkin_make
$ rosrun beginner_tutorials listener.py

此时，你应该能看到终端上输出类似如下的信息：

[INFO] [1562756931.110174]: /listenerI heard hello world 1562756931.109554
[INFO] [1562756932.110174]: /listenerI heard hello world 1562756932.109554
[INFO] [1562756933.110174]: /listenerI heard hello world 1562756933.109554
...

三、使用Python与ROS进行机器人编程

除了上面的示例之外，Python在ROS中还可以用于各种机器人编程任务，例如控制机器人的运动、处理传感器数据等。下面将介绍一些常见的机器人编程任务，并提供相应的Python代码示例。

1. 控制机器人运动

使用Python可以很方便地编写控制机器人运动的节点。通过发布Twist消息到机器人的控制话题，可以控制机器人的速度和角度。

以下是一个简单的Python脚本velocity_publisher.py，用于发布Twist消息到cmd_vel话题，控制机器人直线运动：

#!/usr/bin/env python

import rospy
from geometry_msgs.msg import Twist

def velocity_publisher():
    pub = rospy.Publisher('cmd_vel', Twist, queue_size=10)
    rospy.init_node('velocity_publisher', anonymous=True)
    rate = rospy.Rate(10)  # 10hz
    vel_msg = Twist()
    vel_msg.linear.x = 0.2
    vel_msg.angular.z = 0.0
    while not rospy.is_shutdown():
        pub.publish(vel_msg)
        rate.sleep()

if __name__ == '__main__':
    try:
        velocity_publisher()
    except rospy.ROSInterruptException:
        pass

2. 处理传感器数据

Python也可以很方便地处理机器人传感器数据。通过订阅传感器话题，可以获取并处理传感器数据。

以下是一个简单的Python脚本sensor_subscriber.py，用于订阅传感器话题，并输出传感器数据

#!/usr/bin/env python

import rospy
from sensor_msgs.msg import LaserScan

def sensor_callback(data):
    rospy.loginfo("Received sensor data: %s" % data.ranges)

def sensor_subscriber():
    rospy.init_node('sensor_subscriber', anonymous=True)
    rospy.Subscriber('laser_scan', LaserScan, sensor_callback)
    rospy.spin()

if __name__ == '__main__':
    sensor_subscriber()

3. 机器人导航

Python还可以用于实现机器人的导航功能。通过结合ROS中提供的导航功能包，可以实现机器人在环境中的自主导航。

以下是一个简单的Python脚本simple_navigation.py，用于实现机器人的简单导航功能：

#!/usr/bin/env python

import rospy
from geometry_msgs.msg import PoseStamped
from move_base_msgs.msg import MoveBaseActionGoal

def simple_navigation():
    pub = rospy.Publisher('move_base/goal', MoveBaseActionGoal, queue_size=10)
    rospy.init_node('simple_navigation', anonymous=True)
    goal_msg = MoveBaseActionGoal()
    goal_msg.goal.target_pose.header.frame_id = 'map'
    goal_msg.goal.target_pose.pose.position.x = 1.0
    goal_msg.goal.target_pose.pose.position.y = 1.0
    goal_msg.goal.target_pose.pose.orientation.w = 1.0
    pub.publish(goal_msg)

if __name__ == '__main__':
    try:
        simple_navigation()
    except rospy.ROSInterruptException:
        pass