技术分享 | 学习ROS，这5个常用工具不能少

Posted 2021-06-30 阿木实验室

ROS 是一个适用于机器人的开源的元操作系统。它提供了操作系统应有的服务，包括硬件抽象，底层设备控制，常用函数的实现，进程间消息传递，以及包管理。它也提供用于获取、编译、编写、和跨计算机运行代码所需的工具和库函数。在某些方面ROS相当于一种“机器人框架（robot frameworks）”类似的“机器人框架”有： Player，YARP、Orocos、CARMEN、Orca、MOOS和 Microsoft Robotics Studio。

ROS开发时常常使用的工具，分别是：Gazebo、RViz、rqt、rosbag、rosbridge和moveit!

这六个工具是我们开发常常用到的工具，gazebo是一种最常用的ROS仿真工具，也是目前仿真ROS效果最好的工具；RViz是可视化工具，是将接收到的信息呈现出来；rqt则是非常好用的数据流可视化工具，有了它我们可以直观的看到消息的通信架构和流通路径；rosbag则是对软件包进行操作的一个命令，此外还提供代码API，对包进行操作编写。rosbridge是一个沟通ROS和外界的功能包，moveit!是目前为止应用最广泛的开源操作软件。 1.Gazebo

Gazebo是一款3D动态仿真模拟器，能够在复杂的室内和室外环境中准确有效地模拟机器人群。与游戏引擎提供高保真度的视觉模拟类似，Gazebo提供高保真度的物理模拟，其提供一整套传感器模型，以及对用户和程序非常友好的交互方式。  图1 Gazebo

Gazebo的功能很强大，最大的优点是对ROS的支持很好，因为Gazebo和ROS都由OSRF（Open Source Robotics Foundation）开源机器人组织来维护，Gazebo支持很多开源的物理引擎比如最典型的ODE。可以进行机器人的运动学、动力学仿真，能够模拟机器人常用的传感器（如激光雷达、摄像头、IMU等），也可以加载自定义的环境和场景，仿真不仅仅只是做出一个很酷的3D场景，更重要的是给机器人一个逼近现实的虚拟物理环境，比如光照条件、物理距离等等。设定好具体的参数，让机器人完成我们设定的目标任务。比如一些有危险因素的测试，就可以让机器人在仿真的环境中去完成，例如无人车在交通环境复杂的交通要道的效果，我们就可以在仿真的环境下测试各种情况无人车的反应与效果，如车辆的性能、驾驶的策略、车流人流的行为模式等，又或者各种不可控因素如雨雪天气，突发事故，车辆故障等，从而收集结果参数指标信息等等。

2.RViz

RViz(the Robit Visualization tool)机器人可视化工具，可视化的作用是直观的，它极大的方便了监控和调试等操作。  图2 Rviz

虽然从界面上来看，RViz和Gazebo非常相似，但实际上两者有着很大的不同，Gazebo实现的是仿真，提供一个虚拟的世界，RViz实现的是可视化，呈现接收到的信息。 3. rqt

rqt是一个基于qt开发的可视化工具，拥有扩展性好、灵活易用、跨平台等特点，主要作用和RViz一样都是可视化，但是和RViz相比，rqt要高级一个层次。

rqt_graph :显示通信架构 rqt_plot ：绘制曲线 rqt_console ：查看日志

3.1 rqt_graph rqt_graph是来显示通信架构，当前有哪些Node和topic在运行，消息的流向是怎样，都能通过这个语句显示出来。此命令可用于显示系统的全貌。

 图3.1 rqt_graph

3.2 rqt_plot rqt_plot将一些参数，尤其是动态参数以曲线的形式绘制出来。当我们在开发时利用rqt_plot将这些原始数据用曲线绘制出来，利于我们分析数据。

 图3.2 rqt_plot

3.3 rqt_console rqt_console里存在一些过滤器，我们可以利用它方便的查到我们需要的日志。  图3.3 rqt_console

4. Rosbag rosbag 主要用于记录、回放、和分析 rostopic 中的数据。rosbag package提供了命令行工具和代码API，可以用C++或者python来编写。而且rosbag命令行工具和代码API是稳定的，始终保持向后的兼容性。

5.rosbridge rosbridge是一个可用于非ROS系统和ROS系统进行通信的功能包，非ROS的系统使用指定数据内容的基于JSON(或BSON)格式的网络请求(rosbridge支持TCP、UDP、WebSocket三种网络通讯方式)来调用ROS的功能，既然非ROS系统能通过rosbridge基于TCP/UDP/WebSocket与机器人上的ROS进行交互，那就是实现了外部系统和机器人上的ROS的解耦合，也就是外部系统完全可以与机器人使用不同的开发语言不同的OS平台。

6.moveit! 2012年，一款叫做moveit!的移动操作软件诞生了，moveit最初在Willow Garage由Sachin Chitta，Ioan Sucan，Gil E. Jones，Acorn Pooley，Suat Gedikli，Dave Hershberger开发，它融合了研究者在运动规划、操纵、3D感知、运动学、控制和导航方面的最新进展，为操作者提供了一个易于使用的平台，使用它可以开发先进的机器人应用，同时它也被广泛应用于工业，商业，研发和其他领域。

moveit的使用通过为用户提供接口来调用它，包括C++、Python、GUI三种接口。ROS中的move_group节点充当整合器，整合多个独立组件，提供ROS风格的Action和service。move_group通过ROS topic和action与机器人通讯，获取机器人的位置、节点等状态，获取数据再传递给机器人的控制器。

move_group节点获取到节点状态信息或者机器人变换信息时候，会通过控制器的接口去处理这些信息，比如进行坐标转换、规划场景、3D感知。另外，move_group的结构比较容易扩展，不仅具有独立的能力如抓放，运动规划，也可扩展自公共类，但实际作为独立的插件运行。moveit系统结构图如下：

图4 moveit系统结构图

Gazebo、RViz、rqt、rosbag、rosbridge和moveit等ROS常用工具掌握后就可以进行ROS开发了。让我们一起畅游在ROS的知识海洋中，站在巨人的肩膀上开拓新的航线！

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