摘要
ROS机器人操作系统在机器人应用领域很流行，依托代码开源和模块间协作等特性，给机器人开发者带来了很大的方便。我们的机器人“miiboo”中的大部分程序也采用ROS进行开发，所以本文就重点对ROS基础知识进行详细的讲解，给不熟悉ROS的朋友起到一个抛砖引玉的作用。本章节主要内容： 1.ROS是什么 2.ROS系统整体架构 3.在ubuntu16.04中安装ROS kinetic 4.如何编写ROS的第一个程序hello_world 5.编写简单的消息发布器和订阅器 6.编写简单的service和client 7.理解tf的原理 8.理解roslaunch在大型项目中的作用 9.熟练使用rviz 10.在实际机器人上运行ROS高级功能预览
5.编写简单的消息发布器和订阅器
通过上一节编写ROS的第一个程序hello_world，我们对ROS的整个编程开发过程有了基本的了解，现在我们就来编写真正意义上的使用ROS进行节点间通信的程序。由于之前已经建好了catkin_ws这样一个工作空间，以后开发的功能包都将放在这里面，这里给新建的功能包取名为topic_example，在这个功能包中分别编写两个节点程序publish_node.cpp和subscribe_node.cpp，发布节点（publish_node）向话题（chatter）发布std_msgs::String类型的消息，订阅节点（subscribe_node）从话题（chatter）订阅std_msgs::String类型的消息，这里消息传递的具体内容是一句问候语“how are you …”，通信网络结构如图16。
（图16）消息发布与订阅ROS通信网络结构图
（1）功能包的创建
在catkin_ws/src/目录下新建功能包topic_example，并在创建时显式的指明依赖roscpp和std_msgs。打开命令行终端，输入命令：
cd ~/catkin_ws/src/
#创建功能包topic_example时，显式的指明依赖roscpp和std_msgs，
#依赖会被默认写到功能包的CMakeLists.txt和package.xml中
catkin_create_pkg topic_example roscpp std_msgs
（2）功能包的源代码编写
功能包中需要编写两个独立可执行的节点，一个节点用来发布消息，另一个节点用来订阅消息，所以需要在新建的功能包topic_example/src/目录下新建两个文件publish_node.cpp和subscribe_node.cpp，并将下面的代码分别填入。
首先，介绍发布节点publish_node.cpp，代码内容如下：
#include "ros/ros.h"
2 #include "std_msgs/String.h"
3
4 #include <sstream>
5
6 int main(int argc, char **argv)
7 {
8 ros::init(argc, argv, "publish_node");
9 ros::NodeHandle nh;
10
11 ros::Publisher chatter_pub = nh.advertise<std_msgs::String>("chatter", 1000);
12 ros::Rate loop_rate(10);
13 int count = 0;
14
15 while (ros::ok())
16 {
17 std_msgs::String msg;
18
19 std::stringstream ss;
20 ss << "how are you " << count;
21 msg.data = ss.str();
22 ROS_INFO("%s", msg.data.c_str());
23
24 chatter_pub.publish(msg);
25
26 ros::spinOnce();
27 loop_rate.sleep();
28 ++count;
29 }
30
31 return 0;
32 }
对发布节点代码进行解析。
#include "ros/ros.h"
这一句是包含头文件ros/ros.h，这是ROS提供的C++客户端库，是必须包含的头文件。
#include "std_msgs/String.h"
由于代码中需要使用ROS提供的标准消息类型std_msgs::String，所以需要包含此头文件。
ros::init(argc, argv, "publish_node");
这一句是初始化ros节点并指明节点的名称，这里给节点取名为publish_node，一旦程序运行后就可以在ros的计算图中被注册为publish_node名称标识的节点。
ros::NodeHandle nh;
这一句是声明一个ros节点的句柄，初始化ros节点必须的。
ros::Publisher chatter_pub = nh.advertise<std_msgs::String>("chatter", 1000);
这句话告诉ros节点管理器我们将会在chatter这个话题上发布std_msgs::String类型的消息。这里的参数1000是表示发布序列的大小，如果消息发布的太快，缓冲区中的消息大于1000个的话就会开始丢弃先前发布的消息。
ros::Rate loop_rate(10);
这句话是用来指定自循环的频率，这里的参数10 表示10Hz频率，需要配合该对象的sleep()方法来使用。
while (ros::ok()) {...}
roscpp会默认安装以SIGINT句柄，这句话就是用来处理由ctrl+c键盘操作、该节点被另一同名节点踢出ROS网络、ros::shutdown()被程序在某个地方调用、所有ros::NodeHandle句柄都被销毁等触发而使ros::ok()返回false值的情况。
std_msgs::String msg;
定义了一个std_msgs::String消息类型的对象，该对象有一个数据成员data用于存放我们即将发布的数据。要发布出去的数据将被填充到这个对象的data成员中。
chatter_pub.publish(msg);
利用定义好的发布器对象将消息数据发布出去，这一句执行后，ROS网络中的其他节点便可以收到此消息中的数据。
ros::spinOnce();
这一句是让回调函数有机会被执行的声明，这个程序里面并没有回调函数，所以这一句可以不要，这里只是为了程序的完整规范性才放上来的。
loop_rate.sleep();
前面讲过，这一句是通过休眠来控制自循环的频率的。 接着，介绍订阅节点subscribe_node.cpp，代码内容如下：
#include "ros/ros.h"
2 #include "std_msgs/String.h"
3
4 void chatterCallback(const std_msgs::String::ConstPtr& msg)
5 {
6 ROS_INFO("I heard: [%s]",msg->data.c_str());
7 }
8
9 int main(int argc, char **argv)
10 {
11 ros::init(argc, argv, "subscribe_node");
12 ros::NodeHandle nh;
13
14 ros::Subscriber chatter_sub = nh.subscribe("chatter", 1000,chatterCallback);
15
16 ros::spin();
17
18 return 0;
19 }
对订阅节点代码进行解析。
之前解释过的类似的代码就不做过多的解释了，这里重点解释一下前面没遇到过的代码。
void chatterCallback(const std_msgs::String::ConstPtr& msg)
{
ROS_INFO("I heard: [%s]",msg->data.c_str());
}
这是一个回调函数，当有消息到达chatter话题时会自动被调用一次，这个回调函数里面就是一句话，用来打印从话题中订阅的消息数据。
ros::Subscriber chatter_sub = nh.subscribe("chatter", 1000,chatterCallback);
这句话告诉ros节点管理器我们将会从chatter这个话题中订阅消息，当有消息到达时会自动调用这里指定的chatterCallback回调函数。这里的参数1000是表示订阅序列的大小，如果消息处理的速度不够快，缓冲区中的消息大于1000个的话就会开始丢弃先前接收的消息。
ros::spin();
这一句话让程序进入自循环的挂起状态，从而让程序以最好的效率接收消息并调用回调函数。如果没有消息到达，这句话不会占用很多CPU资源，所以这句话可以放心使用。一旦ros::ok()被触发而返回false，ros::spin()的挂起状态将停止并自动跳出。简单点说，程序执行到这一句，就在这里不断自循环，与此同时检查是否有消息到达并决定是否调用回调函数。
（3）功能包的编译配置及编译
创建功能包topic_example时，显式的指明依赖roscpp和std_msgs，依赖会被默认写到功能包的CMakeLists.txt和package.xml中，所以只需要在CMakeLists.txt文件的末尾行加入以下几句用于声明可执行文件就可以了：
add_executable(publish_node src/publish_node.cpp)
target_link_libraries(publish_node ${catkin_LIBRARIES})
add_executable(subscribe_node src/subscribe_node.cpp)
target_link_libraries(subscribe_node ${catkin_LIBRARIES})
接下来，就可以用下面的命令对功能包进行编译了：
cd ~/catkin_ws/
catkin_make -DCATKIN_WHITELIST_PACKAGES="topic_example"
（4）功能包的启动运行
首先，需要用roscore命令来启动ROS节点管理器，ROS节点管理器是所有节点运行的基础。
打开命令行终端，输入命令：
roscore
然后，用source devel/setup.bash激活catkin_ws工作空间，用rosrun <package_name> <node_name>启动功能包中的发布节点。
再打开一个命令行终端，分别输入命令：
cd ~/catkin_ws/
source devel/setup.bash
rosrun topic_example publish_node
看到有输出“how are you …”，就说明发布节点已经正常启动并开始不断向chatter话题发布消息数据，如图17。 
（图17）发布节点已经正常启动
最后，用source devel/setup.bash激活catkin_ws工作空间，用rosrun <package_name> <node_name>启动功能包中的订阅节点。
再打开一个命令行终端，分别输入命令：
cd ~/catkin_ws/
source devel/setup.bash
rosrun topic_example subscribe_node
看到有输出“I heard:[how are you …]”，就说明订阅节点已经正常启动并开始不断从chatter话题接收消息数据，如图18。 
（图18）订阅节点已经正常启动
到这里，我们编写的消息发布器和订阅器就大功告成了，为了加深对整个程序工作流程的理解，我再把消息发布与订阅的ROS通信网络结构图拿出来，加深一下理解。
（图19）消息发布与订阅ROS通信网络结构图
