機(jī)器人操作系統(tǒng)現(xiàn)狀與應(yīng)用實(shí)例李寶全

ROS-RobotOperatingSystemWhat&Why現(xiàn)狀How&Results幾個(gè)應(yīng)用例程Sum-mary綜合實(shí)例:體感遠(yuǎn)程控制1當(dāng)前1頁(yè)，總共58頁(yè)。

應(yīng)用火爆的ROSROSRepositories(>50)Map:2當(dāng)前2頁(yè)，總共58頁(yè)。

應(yīng)用火爆的ROSRobotics&AutomationMagazine,IEEE該雜志上設(shè)立了專(zhuān)題討論區(qū)：ROSTopics下方圖片是在最新一期中ROSTopics的論文3當(dāng)前3頁(yè)，總共58頁(yè)。

應(yīng)用火爆的ROS新加坡南洋理工大學(xué)（NTU）機(jī)器人相關(guān)實(shí)驗(yàn)室大家都在用，已經(jīng)形成了全民一起上的局面所見(jiàn)的應(yīng)用設(shè)備：Pioneer3AT/DXKinectAR.DroneTurtleBot4當(dāng)前4頁(yè)，總共58頁(yè)。

ROS體系Main：由WillowGarage公式維護(hù)核心部分程序Universe：全球范圍的代碼，由其它個(gè)人/組織維護(hù)相關(guān)知識(shí)庫(kù)（Repository），即功能包（例如先鋒機(jī)器人的ROSARIA，Kinect的openni_tracker,語(yǔ)言識(shí)別pocketsphinx）5當(dāng)前5頁(yè)，總共58頁(yè)。

幾點(diǎn)說(shuō)明雖然ROS的名字為“機(jī)器人操作系統(tǒng)”，但不是真正的操作系統(tǒng)，只是說(shuō)它可以提供類(lèi)似于操作系統(tǒng)的一些服務(wù)，比如底層通訊,分布式控制。對(duì)于機(jī)器人的相關(guān)功能，不使用ROS也能實(shí)現(xiàn).但ROS使得機(jī)器人軟件搭建的工作更方便，效率更高。6當(dāng)前6頁(yè)，總共58頁(yè)。

ROS的程序的核心節(jié)點(diǎn)即可執(zhí)行文件由.cpp文件編譯生成而來(lái)(指C++)節(jié)點(diǎn)之間的通訊節(jié)點(diǎn)間信息的發(fā)布與接收PublishSubscribe7當(dāng)前7頁(yè)，總共58頁(yè)。

節(jié)點(diǎn)將整個(gè)工程（Project）模塊化，每個(gè)節(jié)點(diǎn)即為一個(gè)模塊。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以單獨(dú)維護(hù)，比如現(xiàn)在有N個(gè)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)在運(yùn)行了，用戶(hù)可以再編寫(xiě)第N+1個(gè)節(jié)點(diǎn)，然后編譯，然后運(yùn)行，即有N+1個(gè)節(jié)點(diǎn)共同運(yùn)行。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有唯一的名字節(jié)點(diǎn)之間可借助網(wǎng)絡(luò)跨主機(jī)共同運(yùn)行.8當(dāng)前8頁(yè)，總共58頁(yè)。

節(jié)點(diǎn)之間的通訊發(fā)布者Publisher訂閱者Subscriber話題:發(fā)布者與訂閱者之間的通訊方式話題的名稱(chēng):Topic：發(fā)布者與訂閱者之間數(shù)據(jù)傳輸“管道”的名字，為一字符串消息:Message:傳輸數(shù)據(jù)的類(lèi)型，例如int,char，自定義類(lèi)型。9當(dāng)前9頁(yè)，總共58頁(yè)。

ROS-RobotOperatingSystemWhat&Why現(xiàn)狀How&Results幾個(gè)應(yīng)用例程Sum-mary綜合實(shí)例:體感遠(yuǎn)程控制10當(dāng)前10頁(yè)，總共58頁(yè)。

ROS的幾個(gè)例程Helloworld圖像先鋒機(jī)器人P3AT/P3DXKinectSkeletonVoiceNetwork通訊11當(dāng)前11頁(yè)，總共58頁(yè)。

HelloWorld程序節(jié)點(diǎn):2個(gè)節(jié)點(diǎn)talker(talker.cpp):包含一個(gè)發(fā)布者節(jié)點(diǎn)listener(listener.cpp):包含一個(gè)接收者節(jié)點(diǎn)間的通訊：Topic（話題的名稱(chēng)）：“chatter”Message（傳遞的數(shù)據(jù)類(lèi)型）：std_msgs::StringString為ROS自定義的數(shù)據(jù)類(lèi)型String中包含唯一變量為std::string

data12當(dāng)前12頁(yè)，總共58頁(yè)。

HelloWorld程序13當(dāng)前13頁(yè)，總共58頁(yè)。

HelloWorld程序14當(dāng)前14頁(yè)，總共58頁(yè)。

HelloWorld程序15當(dāng)前15頁(yè)，總共58頁(yè)。

HelloWorld程序16當(dāng)前16頁(yè)，總共58頁(yè)。

ROS的幾個(gè)例程Helloworld圖像先鋒機(jī)器人P3AT/P3DXKinectSkeletonVoiceNetwork通訊17當(dāng)前17頁(yè)，總共58頁(yè)。

ROS的幾個(gè)例程:圖像圖像的發(fā)布:對(duì)應(yīng)ROS中的Publisher.以如下三個(gè)圖像源舉例:Kinect的RGB攝像頭筆記本內(nèi)置攝像頭外接USB攝像頭圖像的接收:對(duì)應(yīng)ROS中的Subscriber圖像的處理:可以與OpenCV相結(jié)合(OpenCV與ROS均屬于WillowGarage公司,所以….)用戶(hù)可以在該步驟中進(jìn)行任意的圖像處理操作(“soyoucandoeverythinginthisstep”)圖像的顯示:與OpenCV相結(jié)合18當(dāng)前18頁(yè)，總共58頁(yè)。

圖像的發(fā)布:Kinect的RGB攝像頭首先對(duì)Kinect設(shè)備進(jìn)行配置,并進(jìn)行初始化由于Kinect與ROS相互支持,因此配置過(guò)程非常簡(jiǎn)便初始化Kinect的過(guò)程就是發(fā)布一些列Topic的過(guò)程,這些Topic包括:/camera/rgb/image_color:該話題即對(duì)應(yīng)于我們需要的RGB圖像數(shù)據(jù)至此圖像發(fā)布的任務(wù)完畢若想把圖像顯示出來(lái),需要進(jìn)行下一節(jié)“圖像的接收與顯示”/camera/rgb/image_raw:RGB圖像的原始數(shù)據(jù)/camera/grey:這是灰度圖像/camera/depth:這是場(chǎng)景深度圖像19當(dāng)前19頁(yè)，總共58頁(yè)。

圖像的發(fā)布:Kinect的RGB攝像頭圖:Rviz中顯示出的Kinect發(fā)布的點(diǎn)云信息20當(dāng)前20頁(yè)，總共58頁(yè)。

圖像的發(fā)布:筆記本內(nèi)置攝像頭對(duì)于筆記本內(nèi)置USB攝像頭的圖像獲取,要比Kinect復(fù)雜.這是由于ROS對(duì)Kinect的支持包括了圖像Topic的發(fā)布,而對(duì)于計(jì)算機(jī)的內(nèi)置/外置USB攝像頭,需要我們自己做些操作下載usb_cam包:/bosch-ros-pkg/usb_cam.git.包含如下3個(gè)文件//usb_cam.h//usb_cam.cpp:由于是在Ubuntu(12.04)系統(tǒng)下進(jìn)行的,因此里面用到了Linux的V4L2視頻驅(qū)動(dòng)與服務(wù)//usb_cam_node.cpp攝像頭的圖像在此節(jié)點(diǎn)中發(fā)布21當(dāng)前21頁(yè)，總共58頁(yè)。

圖像的發(fā)布:筆記本內(nèi)置攝像頭22當(dāng)前22頁(yè)，總共58頁(yè)。

圖像的發(fā)布:外置USB攝像頭也需要利用包usb_cam由于外接USB攝像頭的設(shè)備名為video1，因此將設(shè)備名的語(yǔ)句修改為除此之外,其它操作與上一節(jié)的內(nèi)置攝像頭圖像發(fā)布一致23當(dāng)前23頁(yè)，總共58頁(yè)。

圖像的接收,處理與顯示ROS的圖像數(shù)據(jù)使用sensor_msgs/Image的消息格式CvBridge:屬于ROS的庫(kù),在vision_opencv(堆stack)/cv_bridge(包package)/image_geometry中.用以轉(zhuǎn)換sensor_msgs/Image至cv::Mat該部分功能：從相應(yīng)Topic中獲得sensor_msgs::Image圖像信息(接收者)，并將其轉(zhuǎn)化為cv::Mat的形式，并顯示圖像。當(dāng)然，該部分首先需要圖像源來(lái)發(fā)布一個(gè)圖像Topic，例如上節(jié)的①Kinect，②內(nèi)置USB攝像頭，③外接USB攝像頭24當(dāng)前24頁(yè)，總共58頁(yè)。

圖像的接收,處理與顯示25當(dāng)前25頁(yè)，總共58頁(yè)。

圖像的接收,處理與顯示26當(dāng)前26頁(yè)，總共58頁(yè)。

圖像的接收,處理與顯示上頁(yè)的image_converter節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于圖像發(fā)布源為Kinect,若想要獲得外置/內(nèi)置攝像頭的圖像時(shí),將訂閱者的Topic改為“/image_raw”即可.改為因此將該節(jié)點(diǎn)修改后重新編譯并運(yùn)行,便可以繼續(xù)獲取另一個(gè)圖像源的圖像.這也體現(xiàn)了ROS的代碼維護(hù)非常靈活.27當(dāng)前27頁(yè)，總共58頁(yè)。

圖像的接收,處理與顯示28當(dāng)前28頁(yè)，總共58頁(yè)。

ROS的幾個(gè)例程Helloworld圖像先鋒機(jī)器人P3AT/P3DXKinectSkeletonVoiceNetwork通訊29當(dāng)前29頁(yè)，總共58頁(yè)。

先鋒機(jī)器人P3AT/P3DXP3AT/P3DX的配置角速度和線速度控制量的發(fā)布控制量發(fā)布的節(jié)點(diǎn):對(duì)應(yīng)Publisher控制量的接收控制量接收的節(jié)點(diǎn):對(duì)應(yīng)Subscriber即控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)30當(dāng)前30頁(yè)，總共58頁(yè)。

P3AT/P3DX的配置由于P3AT是串口通訊,我的筆記本上僅有USB口,因此首先需要配置USB轉(zhuǎn)串口.安裝ROSARIAARIA是ActivMedia公司為先鋒機(jī)器人提供的驅(qū)動(dòng)與服務(wù)由于該公司也支持ROS,因此發(fā)布了ROSARIA版本31當(dāng)前31頁(yè)，總共58頁(yè)。

角速度和線速度控制量的發(fā)布話題名稱(chēng)"/RosAria/cmd_vel“該話題名稱(chēng)要與下一節(jié)接收節(jié)點(diǎn)中的一致消息類(lèi)型為ROS自定義的:geometry_msgs::Twist在該Twist數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中,包括了角速度控制量與線速度控制量32當(dāng)前32頁(yè)，總共58頁(yè)。

角速度和線速度控制量的發(fā)布33當(dāng)前33頁(yè)，總共58頁(yè)。

控制量的接收首先下載包rosaria:/amor-ros-pkg/rosaria.git該包中含有RosAria.cpp文件將該文件編譯為節(jié)點(diǎn)RosAria,并運(yùn)行該節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)RosAria的功能:接收上節(jié)的Twist數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(即訂閱者),Twist中含有角速度與線速度的數(shù)據(jù).將控制量發(fā)送給先鋒機(jī)器人,即讓機(jī)器人做相應(yīng)運(yùn)動(dòng).34當(dāng)前34頁(yè)，總共58頁(yè)。

控制量的接收35當(dāng)前35頁(yè)，總共58頁(yè)。

ROS的幾個(gè)例程Helloworld圖像先鋒機(jī)器人P3AT/P3DXKinectSkeleton(人體骨骼識(shí)別)VoiceNetwork通訊36當(dāng)前36頁(yè)，總共58頁(yè)。

KinectSkeleton由于用到了Kinect的骨骼識(shí)別,因此首先需要安裝NiTE之后下載包openni_tracker:/ros-drivers/openni_tracker.gitopenni_tracker節(jié)點(diǎn)將用戶(hù)的骨骼位置發(fā)布(發(fā)布者)Topic為“/tf”Message為tf2_msgs::TFMessage,一個(gè)TFMessage的對(duì)象包括了一個(gè)關(guān)節(jié)的位置與姿態(tài)信息37當(dāng)前37頁(yè)，總共58頁(yè)。

KinectSkeleton38當(dāng)前38頁(yè)，總共58頁(yè)。

KinectSkeleton39當(dāng)前39頁(yè)，總共58頁(yè)。

KinectSkeleton圖:Rviz顯示出的發(fā)布的tf的信息40當(dāng)前40頁(yè)，總共58頁(yè)。

ROS的幾個(gè)例程Helloworld圖像先鋒機(jī)器人P3AT/P3DXKinectSkeletonVoiceNetwork通訊41當(dāng)前41頁(yè)，總共58頁(yè)。

Voice語(yǔ)音識(shí)別語(yǔ)言發(fā)布綜合:聲音的接收與發(fā)聲42當(dāng)前42頁(yè)，總共58頁(yè)。

Voice:語(yǔ)言識(shí)別包pocketsphinx的安裝與配置pocketsphinx用以語(yǔ)言識(shí)別,并發(fā)布(Publish)識(shí)別結(jié)果String識(shí)別結(jié)果的接收與顯示將pocketsphinx發(fā)布的String其獲取(Subscribe)后從屏幕上顯示43當(dāng)前43頁(yè)，總共58頁(yè)。

Voice44當(dāng)前44頁(yè)，總共58頁(yè)。

Voice:語(yǔ)言發(fā)布包sound_play的安裝與配置利用程序來(lái)控制發(fā)聲45當(dāng)前45頁(yè)，總共58頁(yè)。

Voice:綜合:聲音的接收與發(fā)聲利用pocketsphinx對(duì)語(yǔ)言進(jìn)行識(shí)別,并以String的消息類(lèi)型來(lái)發(fā)布接收pocketsphinx發(fā)布的String將String顯示到屏幕上發(fā)聲:將String朗讀出來(lái)當(dāng)然也可以朗讀其它語(yǔ)句,即實(shí)現(xiàn)了人機(jī)之間的對(duì)話46當(dāng)前46頁(yè)，總共58頁(yè)。

Voice:綜合:聲音的接收與發(fā)聲47當(dāng)前47頁(yè)，總共58頁(yè)。

ROS的幾個(gè)例程Helloworld圖像先鋒機(jī)器人P3AT/P3DXKinectSkeletonVoiceNetwork通訊48當(dāng)前48頁(yè)，總共58頁(yè)。

Network通訊(以?xún)芍鳈C(jī)為例)ROS的分布式特點(diǎn):對(duì)兩主機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單配置后,若有相同的Topic,則節(jié)點(diǎn)之間即可跨主機(jī)利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊.因此網(wǎng)絡(luò)通訊/控制變?yōu)槭趾?jiǎn)單.實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景:取名為”hal”的電腦上連接先鋒機(jī)器人P3AT,并連接Wifi取名為”marvin”的電腦(我的筆記本)沒(méi)有連接設(shè)備,但與”hal”連接了同一個(gè)Wifi目標(biāo):讓”marvin”將先鋒機(jī)器人的控制命令通過(guò)Wifi發(fā)送給”hal”,然后”hal”再把此命令發(fā)送給先鋒機(jī)器人49當(dāng)前49頁(yè)，總共58頁(yè)。

Network通訊(以?xún)芍鳈C(jī)為例)50當(dāng)前50頁(yè)，總共58頁(yè)。

ROS-RobotOperatingSystemWhat&Why現(xiàn)狀How&Results幾個(gè)應(yīng)用例程Sum-mary綜合實(shí)例:體感遠(yuǎn)程控制51當(dāng)前51頁(yè)，總共58頁(yè)。

ROS綜合實(shí)例:實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)通過(guò)網(wǎng)絡(luò),遠(yuǎn)程控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)使用者在Kinect前移動(dòng),當(dāng)距離Kinect超過(guò)1米時(shí),讓遠(yuǎn)方的機(jī)器人做前進(jìn)運(yùn)動(dòng);當(dāng)距離Kinect小于1米時(shí),讓機(jī)器人后退;并且機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度與使用著距Kinect1米的誤差成正比.將上一章“幾個(gè)應(yīng)用例程”結(jié)合在了一起.52當(dāng)