Tartalom

1. ROS 2 bevezetés és gyakorlat
   1. Emlékeztető
2. 1. feladat - Node és publish
3. Workspace és build tudnivalók
   1. Colcon
   2. Source
4. 2. feladat - Package build és használat
5. 3. feladat - Saját package készítése
6. 4. feladat - C++ publisher / subscriber
   1. Hozzuk létre a cpp_pubsub package-t
   2. Írjuk meg a publisher node-ot
   3. Függőségek hozzáadása
   4. CMakeLists.txt
   5. Írjuk meg a subscriber node-ot
   6. Fordítsuk a package-t
7. 5. feladat - Python publisher / subscriber
8. Források

---

ROS 2 bevezetés és gyakorlat

Emlékeztető

Pár alapfogalom az előző alkalomról:

• Node: Gyakorlatilag ROS programot jelent. (pl. turtlesim_node, cmd_gen_node, foxglove_bridge)
• Topic (topik): Nevekkel ellátott kommunikációs csatorna. (pl. /turtle1/cmd_vel, /turtle1/pose, /raw_cmd)
• Message (üzenet): (pl. std_msgs/msg/Bool, geometry_msgs/msg/Twist, turtlesim/msg/Pose)
• Package (csomag): ROS programok (node-ok) gyűjteménye (pl. turtlesim, arj_intro_cpp, arj_transforms_cpp)
• Launch fájlok: Több node paraméterezett elindítására alkalmas (pl. multisim.launch.py, foxglove_bridge.launch.xml, foxglove_bridge.launch.py)
• Publish / subscribe: Üzenetekre történő publikálás és feliratkozás.
• Build: A package forráskódjából futtatható állományok készítésének folyamata. ROS2-ben a colcon az alapértelmezett build eszköz.

1. feladat - Node és publish

Nyissunk két terminált. Az első terminálból indítsuk a beépített turtlesim_node szimulátort, ami a turtlesim package-ben található.

ros2 run turtlesim turtlesim_node

Megjegyzés: ha esetleg valamiért hiányozna, telepíthető a sudo apt install ros-humble-turtlesim paranccsal.

A második ablakból publikáljunk egy parancsot, melynek hatására körbe fordul:

ros2 topic pub /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/msg/Twist '{linear: {x: 0.5, y: 0.0, z: 0.0}, angular: {x: 0.0, y: 0.0, z: 1.2}}'

A háttérben a turtlesim_node node (kerek jelölés) feliratkozik a /turtle1/cmd_vel topicra (szögletes jelölés), ennek hatására indul a mozgás.

flowchart LR

C[ /turtle1/cmd_vel]:::light -->|geometry_msgs/msg/Twist| S([turtlesim_node]):::red

classDef light fill:#34aec5,stroke:#152742,stroke-width:2px,color:#152742  
classDef dark fill:#152742,stroke:#34aec5,stroke-width:2px,color:#34aec5
classDef white fill:#ffffff,stroke:#152742,stroke-width:2px,color:#152742
classDef red fill:#ef4638,stroke:#152742,stroke-width:2px,color:#fff

Ahogy a flowcharton is látszik, a /turtle1/cmd_vel típusa geometry_msgs/msg/Twist. Ezt a következő parancsból tudhatjuk meg:

ros2 topic type /turtle1/cmd_vel

A geometry_msgs/msg/Twist a üzenet strutúráját pedig ez a parancs adja:

ros2 interface show geometry_msgs/msg/Twist

Vector3  linear
        float64 x
        float64 y
        float64 z
Vector3  angular
        float64 x
        float64 y
        float64 z

Az összes topic-ot így lehet listázni:

ros2 topic list

Az adott topic tartalmát, különböző formátumban, szűrésekkel a következőképp lehet kiíratni vagy fájlba iratni:

ros2 topic echo /turtle1/pose
ros2 topic echo /turtle1/pose --csv
ros2 topic echo /turtle1/pose --csv > turtle_data_01.csv
ros2 topic echo /turtle1/pose --once
ros2 topic echo /turtle1/pose --once | grep velocity
ros2 topic echo /turtle1/pose | grep x

Workspace és build tudnivalók

Első lépésként az ls ~ | grep ros2 parancs segítségével ellenőrizzük, hogy létezik-e a workspace a home directoryban(~). A tantárgyban a workspace-t ros2_ws-nek nevezzük. A név igazából nem számít, de a legtöbb tutorial is ezt a nevet használja, így mi is követjük ezt a hagyományt. Több workspace is használható egyidejüleg, külön source-olható, nagyobb rendszereknél ez kényelmes megoldás lehet. Mi egyelőre maradunk az egytelen ros2_ws-nél. Ha nem létezne a mkdir -p ros2_ws/src parancs segítségével készíthetjük el a workspace és a source mappákat.

Colcon

A legfontosabb parancs talán a colcon build. Említésre méltó még a colcon list és a colcon graph. Előbbi listázza az elérhető packageket, utóbbi pedig a függőségekről ad gyors nézetet.

A colcon build számos hasznos kapcsolóval érkezik:

• --packages-select: Talán az egyik leggyakrabban használt kapcsoló, utána meggadhatunk több package-t, amit buildelni szeretnénk. Ha nincs megadva, akkor az alapértelmezett, hogy a teljes workspace-t buildeli. A gyakorlatban lesz is egy colcon build --packages-select arj_intro_cpp arj_transforms_cpp parancs, ez a két arj package-t buildeli.
• --symlink-install: A fájlok forrásból való másolása helyett használjon szimbolikus hivatkozásokat. Így elkerülhető, hogy pl. minden egyes launch fájl módosítás esetén újra kelljen buildelni a package-t.
• --parallel-workers 2: A párhuzamosan feldolgozható feladatok maximális száma, ebben az esetben 2. Ha nincs megadva, akkor az alapértelmezett érték a logikai CPU magok száma. Akkor érdemes korlátozni, ha a build nem fut végig erőforrás hiány miatt.
• --continue-on-error: Nagyobb build esetén, ne álljon meg az első hibás package után. Így ha 100 packageből 1 nem működne, akkor is 99 buildelődik. Ha ez nincs megadva, akkor 0 és 99 közötti package buildelődik, a függőségek és egyéb sorrendiségek alapján.

Source

Ahhoz hogy az ROS2 futtatható fájlainkat valóban el tudjuk indítani, be kell állíani a be a környezetet (úgynevezett source-olás), tehát meg kell adni a bash számára, hogy hol keresse az adott futtatható fájlokat, azoknak milyen függőségei vannak stb. Ez egyszerűbb, mint hangzik, csak egy source <útvonal>/<név>.bash parancsot kell kiadni. Korábban írtuk, hogy a worksapce neve nem számít, és valóban, a source megadása után mindegy, hogy fizikailag hol található a futtatható állomány, kényelmesen elindítható egy paranccsal bármelyik mappából. Mivel a packagek különböző workspace-eken belül egymásra is épülhetnek, az ROS2 bevezette az overlay / underlay elvet. Ez azt jelenti, hogy egyik workspace buildelésekor egy másik workspace már be volt source-olva, annak valamely package-e függ a az előzőleg lebuildelt package-től. Tehát annak funkcionalitása, kódja szükséges a ráépülő package-nek. Ennek megfeleően a source-olás is kétféle lehet:

• A local_setup.bash script csak a jelenlegi workspace-ben állítja be a környezetet (source-ol). Tehát nem source-ol szülő (függő) workspace-t.
• A setup.bash szkript viszont a local_setup.bash parancsfájlt adja az összes olyan workspace-hez, amely a munkaterület létrehozásakor függőség volt.

A tantárgyban nem kell ilyen összetett rendszereket használni, legtöbbször egy ros2_ws is elég.

2. feladat - Package build és használat

docs.ros.org/en/humble/Tutorials/Beginner-Client-Libraries/Creating-A-Workspace/Creating-A-Workspace.html

Nyissunk négy terminált. Az első terminálból most is indítsuk a beépített turtlesim_node szimulátort, ami a turtlesim package-ben található.

ros2 run turtlesim turtlesim_node

A második terminálban ellenőrizzük a ros2_ws/src tartalmát, és ha szükséges klónozzuk, majd buildeljük a példa package-t.

ls ~/ros2_ws/src | grep arj_

vagy

cd ~ && test -d "ros2_ws/src/arj_packages" && echo Letezik || echo Nem letezik

• A. opció: Ha nincs package (az előző ls nem ad vissza találatot), akkor git clone és colcon build.
• B. opció: Ha van package, de nem a legfrissebb, akkor git pull és colcon build.
• C. opció: Ha van package és friss is, akkor nincs külön teendőnk.

A. opció:

cd ~/ros2_ws/src

git clone https://github.com/sze-info/arj_packages

cd ~/ros2_ws

colcon build --packages-select arj_intro_cpp

B. opció:

cd ~/ros2_ws/src/arj_packages

git checkout -- .

git pull

cd ~/ros2_ws

colcon build --packages-select arj_intro_cpp

A git checkout -- . az összes esetleges lokális változás visszavonására jó.

A harmadik terminálban futtassuk a cmd_gen_node ROS node-ot.

Először source-olnunk kell, ha saját package-ket használunk:

source ~/ros2_ws/install/setup.bash

Ezután már futtatható a node:

ros2 run arj_intro_cpp cmd_gen_node

A következőképp mozog most a teknős:

Forráskódja elérhető a github.com/sze-info/arj_packages repon.A lényeg, hogy a loop függvény 5 Hz (200 ms) frekvencián fut le, és

void loop()
{
  // Publish transforms
  auto cmd_msg = geometry_msgs::msg::Twist();
  if (loop_count_ < 20)
  {
    cmd_msg.linear.x = 1.0;
    cmd_msg.angular.z = 0.0;
  }
  else
  {
    cmd_msg.linear.x = -1.0;
    cmd_msg.angular.z = 1.0;
  }
  cmd_pub_->publish(cmd_msg);
  loop_count_++;
  if (loop_count_ > 40)
  {
    loop_count_ = 0;
  }
}

Python megfelelője

A C++ kód python verziója szintén elérhető a github.com/sze-info/arj_packages címen. Érdemes összehasonlítani a C++ és a python kódokat.

Nézzük meg az utolsó terminálban a Foxglove segítségével az élő adatokat (itt se felejtsük a source-t):

ros2 launch arj_intro_cpp foxglove_bridge.launch.py

Vizsgáljuk meg Foxglove Studio-val is WebSocketen keresztül (Open connection ws://localhost:8765):

Megjegyzés: gépteremben fel van téve a foxglove_bridge, otthon sudo apt install ros-humble-foxglove-bridge paranccsal (előtte update) telepíthető.

flowchart LR

C[ /turtle1/cmd_vel]:::light --> S([turtlesim_node]):::red
C[ /turtle1/cmd_vel] --> F([foxglove_bridge]):::red
G([cmd_gen_node]):::red--> C

classDef light fill:#34aec5,stroke:#152742,stroke-width:2px,color:#152742  
classDef dark fill:#152742,stroke:#34aec5,stroke-width:2px,color:#34aec5
classDef white fill:#ffffff,stroke:#152742,stroke-width:2px,color:#152742
classDef red fill:#ef4638,stroke:#152742,stroke-width:2px,color:#fff

Mindehárom node-ot egyben a következőképp indíthatjuk:

ros2 launch arj_intro_cpp turtle.launch.py

Vizsgáljuk meg a package tartalmát röviden a code ~/ros2_ws/src/arj_packages/arj_intro_cpp parancs után.

3. feladat - Saját package készítése

A feladat a hivatalos ROS2 dokumentáción alapul: docs.ros.org/en/humble/Tutorials/Beginner-Client-Libraries/Creating-Your-First-ROS2-Package.html. Készítsük el a my_package nevű ROS 2 package-t.

Python megfelelője

Jelenleg C++ package-t készítünk, de az eredeti tutorial is taralmazza a CMake(c++) package Python megfelelőit.

Első lépés, hogy a a workspace src mappájába lépjünk:

cd ~/ros2_ws/src

Készítsünk egy my_package nevű package-t és egy my_node nevű node-ot.

ros2 pkg create --build-type ament_cmake --node-name my_node my_package

Buildeljük a szokásos módon:

cd ~/ros2_ws

colcon build --packages-select my_package

Majd source:

source ~/ros2_ws/install/setup.bash

És már futtatható is:

ros2 run my_package my_node

# output:

hello world my_package package

Vizsgáljuk meg a my_package tartalmát!

ls -R ~/ros2_ws/src/my_package

# output:
/home/he/ros2_ws/src/my_package:
  CMakeLists.txt  include  package.xml  src
/home/he/ros2_ws/src/my_package/include:
  my_package
/home/he/ros2_ws/src/my_package/include/my_package:
  [empty]
/home/he/ros2_ws/src/my_package/src:
  my_node.cpp

tree ~/ros2_ws/src/my_package

# output:
my_package
├── CMakeLists.txt
├── include
│   └── my_package
├── package.xml
└── src
    └── my_node.cpp

cat ~/ros2_ws/src/my_package/src/my_node.cpp

#include <cstdio>

int main(int argc, char ** argv)
{
  (void) argc;
  (void) argv;

  printf("hello world my_package package\n");
  return 0;
}

Érdemes megfigyelni, hogy a cpp fájl még semmilyen ros2 headert nem használ.

Futtatása:

source ~/ros2_ws/install/setup.bash

ros2 run my_package my_node

Alternatívaként VS code-ból is megnyinthatjuk a teljes mappát.

code ~/ros2_ws/src/my_package

A code parancs után fájlt megadva a fájl niytódik meg, míg mappát (könyvtárat) megadva az adott mappa tartalma nyílik meg. Gyakran forul elő, hogy például egy adott package-ben vagyunk és szeretnénk az aktuális mappát megnyitni. Ezt megtehetjük a code . paranccsal, amikoris az aktuális mappa nyitódik meg, hiszen a . karakter az aktuális mappát jelenti linuxban.

4. feladat - C++ publisher / subscriber

A gyakorlat a hivatalos ROS 2 tutorialokon alapszik: docs.ros.org/en/humble/Tutorials/Beginner-Client-Libraries/Writing-A-Simple-Cpp-Publisher-And-Subscriber.html

• C++ publisher
• C++ subscriber

Hozzuk létre a cpp_pubsub package-t

Nyissunk egy új terminált, és source-oljunk a telepítést, hogy a ros2 parancsok működjenek.

Navigáljunk az már létrehozott ros2_ws könyvtárba.

Fontos, hogy a csomagokat az src' könyvtárban kell létrehozni, nem a munkaterület gyökerében. Tehát navigáljunk a ros2_ws/src` fájlba, és futtassuk a package létrehozó parancsot:

ros2 pkg create --build-type ament_cmake cpp_pubsub

A terminál egy üzenetet küld vissza, amely megerősíti a cpp_pubsub csomag és az összes szükséges fájl és mappa létrehozását.

Írjuk meg a publisher node-ot

Lépjünk a ros2_ws/src/cpp_pubsub/src mappába. Ez az a könyvtár minden CMake package-ben, ahová a forrásfájlok tartoznak (pl .cpp kiterjesztéssel).

Töltsük le a példa talker kódját:

wget -O publisher_member_function.cpp https://raw.githubusercontent.com/ros2/examples/humble/rclcpp/topics/minimal_publisher/member_function.cpp

Ez a parancs létrehozza a publisher_member_function.cpp fájlt. Nyissuk meg pl VS code segítségével a mappát (code .)

#include <chrono>
#include <functional>
#include <memory>
#include <string>

#include "rclcpp/rclcpp.hpp"
#include "std_msgs/msg/string.hpp"

using namespace std::chrono_literals;

/* This example creates a subclass of Node and uses std::bind() to register a
* member function as a callback from the timer. */

class MinimalPublisher : public rclcpp::Node
{
    public:
    MinimalPublisher()
    : Node("minimal_publisher"), count_(0)
    {
        publisher_ = this->create_publisher<std_msgs::msg::String>("topic", 10);
        timer_ = this->create_wall_timer(
        500ms, std::bind(&MinimalPublisher::timer_callback, this));
    }

    private:
    void timer_callback()
    {
        auto message = std_msgs::msg::String();
        message.data = "Hello, world! " + std::to_string(count_++);
        RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "Publishing: '%s'", message.data.c_str());
        publisher_->publish(message);
    }
    rclcpp::TimerBase::SharedPtr timer_;
    rclcpp::Publisher<std_msgs::msg::String>::SharedPtr publisher_;
    size_t count_;
};

int main(int argc, char * argv[])
{
    rclcpp::init(argc, argv);
    rclcpp::spin(std::make_shared<MinimalPublisher>());
    rclcpp::shutdown();
    return 0;
}

Függőségek hozzáadása

Lépjünk vissza egy szinttel a ros2_ws/src/cpp_pubsub könyvtárba, ahol a CMakeLists.txt és a package.xml fájlok már létrejöttek.

Nyissuk meg a package.xml fájlt a szövegszerkesztővel (pl. vs code). Tipp: a teljes könyvtárat is meg lehet, nyitni, ami később pár dolgot egyszerűsít:

code ~/ros2_ws/src/cpp_pubsub/

Mindig érdemes kitölteni a <description>, <maintainer> és <license> tag-eket:

<description>Examples of minimal publisher/subscriber using rclcpp</description>
<maintainer email="you@email.com">Your Name</maintainer>
<license>Apache License 2.0</license>

Adjunk hozzá egy új sort az ament_cmake buildtool függősége után, és illessze be a következő függőségeket a node include utasításainak megfelelően:

<depend>rclcpp</depend>
<depend>std_msgs</depend>

Ez deklarálja, hogy a pacakge-nek szükséges az rclcpp és a std_msgs fordításkor és futtatáskor.

CMakeLists.txt

Most nyissuk meg a CMakeLists.txt fájlt. A meglévő find_package(ament_cmake REQUIRED) függőség alá adjuk hozzá a következő sorokat:

find_package(rclcpp REQUIRED)
find_package(std_msgs REQUIRED)

Ezután adjuk hozzá a végrehajtható fájlt, és nevezzük el talker-nak, hogy a ros2 run használatával futtassa a node-ot:

add_executable(talker src/publisher_member_function.cpp)
ament_target_dependencies(talker rclcpp std_msgs)

Végül az install(TARGETS...) részt adjuk hozzá, hogy az ros 2 megtalálja a futtatható állományt, amit lefordítottunk

install(TARGETS
talker
DESTINATION lib/${PROJECT_NAME})

A CMakeLists.txt megtisztítható néhány felesleges szakasz és megjegyzés eltávolításával, így a következőképpen néz ki:

cmake_minimum_required(VERSION 3.5)
project(cpp_pubsub)

# Default to C++14
if(NOT CMAKE_CXX_STANDARD)
set(CMAKE_CXX_STANDARD 14)
endif()

if(CMAKE_COMPILER_IS_GNUCXX OR CMAKE_CXX_COMPILER_ID MATCHES "Clang")
add_compile_options(-Wall -Wextra -Wpedantic)
endif()

find_package(ament_cmake REQUIRED)
find_package(rclcpp REQUIRED)
find_package(std_msgs REQUIRED)

add_executable(talker src/publisher_member_function.cpp)
ament_target_dependencies(talker rclcpp std_msgs)

install(TARGETS
talker
DESTINATION lib/${PROJECT_NAME})

ament_package()

Már buildelhető a package, adjuk hozzá a feliratkozó (subscriber) node-ot is, hogy láthassuk a teljes rendszert működés közben.

cd ~/ros2_ws/

colcon build --packages-select cpp_pubsub

Írjuk meg a subscriber node-ot

A subscriber node elkészítését a következő tutorial 3-a pontja is leírja: docs.ros.org/en/humble/Tutorials/Beginner-Client-Libraries/Writing-A-Simple-Cpp-Publisher-And-Subscriber.html

Lépjünk vissza a ros2_ws/src/cpp_pubsub/src mappába és töltsük le a sunbscriber node-ot is:

wget -O subscriber_member_function.cpp https://raw.githubusercontent.com/ros2/examples/humble/rclcpp/topics/minimal_subscriber/member_function.cpp

Ha most ls-el listázunk, a következőt kell lássuk:

publisher_member_function.cpp  subscriber_member_function.cpp

A CMakeList.txt-hez adjuk hozzá a subscribe node-ot is:

add_executable(listener src/subscriber_member_function.cpp)
ament_target_dependencies(listener rclcpp std_msgs)

install(TARGETS
  talker
  listener
  DESTINATION lib/${PROJECT_NAME})

Fordítsuk a package-t

cd ~/ros2_ws/

colcon build --packages-select cpp_pubsub

Futtatás:

source ~/ros2_ws/install/setup.bash

ros2 run cpp_pubsub talker

[INFO] [minimal_publisher]: Publishing: "Hello World: 0"
[INFO] [minimal_publisher]: Publishing: "Hello World: 1"
[INFO] [minimal_publisher]: Publishing: "Hello World: 2"
[INFO] [minimal_publisher]: Publishing: "Hello World: 3"
[INFO] [minimal_publisher]: Publishing: "Hello World: 4"

Egy újabb terminalba:

source ~/ros2_ws/install/setup.bash

ros2 run cpp_pubsub listener

[INFO] [minimal_subscriber]: I heard: "Hello World: 10"
[INFO] [minimal_subscriber]: I heard: "Hello World: 11"
[INFO] [minimal_subscriber]: I heard: "Hello World: 12"
[INFO] [minimal_subscriber]: I heard: "Hello World: 13"
[INFO] [minimal_subscriber]: I heard: "Hello World: 14"

5. feladat - Python publisher / subscriber

A gyakorlat a hivatalos ROS 2 tutorialokon alapszik: docs.ros.org/en/humble/Tutorials/Beginner-Client-Libraries/Writing-A-Simple-Py-Publisher-And-Subscriber.html

• Python publisher
• Python subscriber

Források

• docs.ros.org/en/humble/Tutorials/Beginner-CLI-Tools/Introducing-Turtlesim/Introducing-Turtlesim.html
• docs.ros.org/en/humble/Tutorials/Beginner-Client-Libraries/Creating-Your-First-ROS2-Package.html
• docs.ros.org/en/humble/Tutorials/Beginner-Client-Libraries/Writing-A-Simple-Cpp-Publisher-And-Subscriber.html
• docs.ros.org/en/humble/Tutorials/Beginner-Client-Libraries/Writing-A-Simple-Py-Publisher-And-Subscriber.html