第 4 章 ROS 运行管理 1 —— 元功能包 plumbing_my / 节点管理launch文件 launch01_basic

00 ROS 运行管理

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：

1. 如何关联不同的功能包？
2. 繁多的ROS节点应该如何启动？—— 使用 launch 文件
3. 功能包、节点、话题、参数重名时应该如何处理？
4. 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。

01 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)。

1.1 概念与作用

1.1.1 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 …

1.1.2 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。

1.2 实现 —— plumbing_my

• 目标：将 plumbing_pub_sub 、plumbing_server_client、plumbing_param_server
  三个功能包用一个功能包链接起来

1.2.1 修改 package.xml

• 首先：新建一个功能包 plumbing_my，但是不用添加任何依赖
• 然后：修改package.xml ,内容如下

# 添加
<exec_depend>plumbing_pub_subexec_depend>
<exec_depend>plumbing_server_clientexec_depend>
<exec_depend>plumbing_param_serverexec_depend>

<export>
    <metapackage /> # 空实现
export>
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1.2.2 修改 CMakeLists.txt

• 最后：修改 CMakeLists.txt，内容如下

# 除了留下以下的句子，其余都要删除掉
cmake_minimum_required(VERSION 3.0.2)
project(plumbing_my) # 括号内是包名
find_package(catkin REQUIRED)
catkin_metapackage()
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1.2.3 编译执行

• Ctrl + Shift +B 没有出错就可以

02 ROS 节点管理 launch 文件 —— 功能包launch01_basic

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。

2.0 turtlesim 案例 —— start_turtle1.launch

• 新建包 launch01_basic，并添加依赖 roscpp rospy std_msgs turtlesim
• 新建 launch 文件

<!-- 启动乌龟GUI与键盘控制节点-->
<launch>
    <!-- pkg——包，type——被执行的节点，name——节点取的名字,output = "screen"——日志输出到屏幕上-->
    <!-- rosrun turtlesim(pkg)功能包 turtlrsim_node(type)-->
    <!-- 启动的节点 -->
    <node pkg = "turtlesim" type = "turtlesim_node" name = "turtle1" output = "screen"/> 
    <!-- 键盘控制 -->
    <node pkg = "turtlesim" type = "turtle_teleop_key" name = "key" output = "screen" /> 
</launch>
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• 调用 launch 文件

 source ./devel/setup.bash
 roslaunch launch01_basic start_turtle.launch
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2.1 launch 文件标签之 launch —— start_turtle.launch

标签是所有 launch 文件的根标签，充当其他标签的容器

2.1.1 属性

• deprecated = “弃用声明”，告知用户当前 launch 文件已经弃用

<launch deprecated = "此文件已经过时，不建议使用">
    <!-- 启动的节点 -->
    <node pkg = "turtlesim" type = "turtlesim_node" name = "turtle1" output = "screen"/> 
    <!-- 键盘控制 -->
    <node pkg = "turtlesim" type = "turtle_teleop_key" name = "key" output = "screen" /> 
</launch>
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2.1.2 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 —— start_turtle.launch

• 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)

2.2.1 属性

• pkg——功能包，type——被执行的节点，name——节点取的名字,output = “screen”——日志输出到屏幕上
• 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 = “true” 节点关闭后自动重启
• 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
• required = “true” 节点退出后关闭整个系统
• ns = “xxx” (可选)：在指定命名空间 xxx 中启动节点
• ns = “hello” 设置节点的命名空间，避免重名问题
• clear_params = “true | false” (可选，不建议用)：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

2.2.2 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

2.3 launch文件标签之 include —— start_turtle_use.launch

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

2.3.1 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

2.3.2 子级标签

• env：环境变量设置
• arg：将参数传递给被包含的文件

2.3.3 launch 程序

<!-- 需要复用 start_turtle1.launch -->
<launch>
    <!-- 包含 -->
    <include file = "$(find launch01_basic)/launch/start_turtle1.launch"/>
    <!-- 其他节点 -->
</launch>
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• 不需要编译，直接运行，正常启动GUI

cd demo01_ws
source ./devel/setup.bash
roslaunch launch01_basic start_turtle_use.launch
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2.4 launch 文件标签之 remap —— start_turtle.launch

• 用于话题重命名

2.4.1 属性

• from=“xxx”：原始话题名称
• to=“yyy”：目标名称

2.4.2 子级标签(无)

2.5 launch 文件标签之 param —— start_turtle.launch

• 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，在标签中时，相当于私有命名空间。

2.5.1 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 ‘.’ 的数字解析为浮点型，否则为整型
• “true” 和 “false” 是 bool 值(不区分大小写)
• 其他是字符串

2.5.2 子级标签(无)

2.5.3 编译执行

启动launch 文件

cd demo01_ws
source ./devel/setup.bash
roslaunch launch01_basic start_turtle.launch
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• 启动新窗口

rosparam list
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2.6 launch 文件标签之 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，标签在标签中时被视为私有。

2.6.1 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)

2.6.2 子级标签(无)

2.6.3 加载参数 —— start_turtle.launch + params.yaml

bg_R: 100
bg_G: 50
bg_B: 255
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2.6.3 导出/删除参数 —— launch 文件 dump.launch & yaml 文件 param_out.yaml

<launch>
    <!-- 导出参数 -->
    <rosparam command = "dump" file = "$(find launch01_basic)/launch/params_out.yaml" />
    <!-- 删除参数 -->
    <rosparam command = "delete" param = "bg_B"
</launch>
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• launch文件运行结果如下

bg_B: 255
bg_G: 50
bg_R: 100
my_turtle:
  background_b: 255
  background_g: 86
  background_r: 69
  bg_B: 255
  bg_G: 50
  bg_R: 100
  param_B: 3.14
param_A: 100
rosdistro: 'noetic'
roslaunch:
  uris:
    host_rosnoetic_virtualbox__35627: http://rosnoetic-VirtualBox:35627/
    host_rosnoetic_virtualbox__35683: http://rosnoetic-VirtualBox:35683/
    host_rosnoetic_virtualbox__37517: http://rosnoetic-VirtualBox:37517/
    host_rosnoetic_virtualbox__37845: http://rosnoetic-VirtualBox:37845/
    host_rosnoetic_virtualbox__38195: http://rosnoetic-VirtualBox:38195/
    host_rosnoetic_virtualbox__39683: http://rosnoetic-VirtualBox:39683/
    host_rosnoetic_virtualbox__40149: http://rosnoetic-VirtualBox:40149/
    host_rosnoetic_virtualbox__40193: http://rosnoetic-VirtualBox:40193/
    host_rosnoetic_virtualbox__44143: http://rosnoetic-VirtualBox:44143/
rosversion: '1.15.14'
run_id: 28c1ae38-04af-11ed-af3e-cfe9aa3ab2b3
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2.7 launch 文件标签之 group —— turtles.launch

• 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

2.7.1 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)

2.7.2 子级标签

• 除了launch 标签外的其他标签

2.7.3 launch 程序

<launch>
    <!-- 启动两对乌龟GUI 与 键盘控制节点  能避免重名问题-->

    <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>
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2.8 launch 文件标签之 arg —— arg.launch

• 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

2.8.1 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

2.8.2 子级标签(无)

2.8.3 launch 程序

<launch>
    <!-- 需求: 演示 arg 的使用，需要设置多个参数，这些参数使用的时同一个值(小车的长度)，如何设置？ -->
    <!-- <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>
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2.9 总程序 start_turtle.launch

<!-- <deprecated = "此文件已经过时，不建议使用"> -->
<launch> 
    <!-- 添加被执行的节点 node是运动节点，key是键盘控制节点-->
    <!-- pkg——功能包，type——被执行的节点，name——节点取的名字,output = "screen"——日志输出到屏幕上-->
    <!-- 乌龟GUI-->
    <!-- rosrun turtlesim(pkg) turtlrsim_node(type)-->

    <!-- 启动的节点--> 
    <!-- respawn = "true" 关闭节点后，节点自动重启-->
    <!-- required = "true" 节点退出后，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 -->
    <!-- param 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 -->
    <!-- roparam 格式1:launch 下，node 外 -->
    <!-- 加载参数 -->
    <rosparam command = "load" file = "$(find launch01_basic)/launch/params.yaml" />
    <!-- 导出参数 -->
    <rosparam command = "dump" file = "$(find launch01_basic)/launch/params_out.yaml" />

    <node pkg = "turtlesim" type = "turtlesim_node" name = "my_turtle" output = "screen">
        <remap from = "/turtle1/cmd_vel" to = "/cmd_vel" />
        <!-- param 格式2：node 下 -->
        <param name = "param_B" type = "double" value = "3.14" />

        <!-- roparam 格式2: node 下 -->
        <rosparam command = "load" file = "$(find launch01_basic)/launch/params.yaml" />
    </node>
    <!-- 键盘控制的节点-->
    <node pkg = "turtlesim" type = "turtle_teleop_key" name = "my_key" output = "screen" /> 

    <!-- 添加hello_c文件-->
    <!-- node pkg = "hello_vscode" type = "hello_vscode_c" name = "hello" output = "screen"/ -->
</launch>
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03 ROS 工作空间覆盖

所谓工作空间覆盖，是指不同工作空间中，存在重名的功能包的情形。

ROS 开发中，会自定义工作空间且自定义工作空间可以同时存在多个，可能会出现一种情况：虽然特定工作空间内的功能包不能重名，但是自定义工作空间的功能包与内置的功能包可以重名或者不同的自定义的工作空间中也可以出现重名的功能包，那么调用该名称功能包时，会调用哪一个呢？比如：自定义工作空间A存在功能包 turtlesim，自定义工作空间B也存在功能包 turtlesim，当然系统内置空间也存在turtlesim，如果调用turtlesim包，会调用哪个工作空间中的呢？