【自造DIARY】ROS 1.0 訊息傳遞方式教學（上）

Posted By CIRCUS Pi on 1 月 20, 2019 in 創客萊吧MakerLab, 教學文, 機器人 | 2 comments

作者：創客萊吧MakerLab

本文透過實際輸入指令查找的方式，講解主節點（Master Node）、發布者節點（Publisher Node）、訂閱者節點（Subscriber Node）、主題（Topic）、訊息（Message）的關係，一起輕鬆應用 ROS 技術。

ROS 1.0 系統安裝完成後，便可以利用 ROS 1.0 系統內建的教學 — package turtlesim 來了解 ROS 系統的訊息傳遞方式。在開始前，請先確保完成且知悉下列事項：

準備好已安裝 ROS 1.0 系統的個人電腦或單板電腦，安裝方式可查閱輕鬆應用 ROS 機器人操作系統的技術—ROS 1.0 安裝教學。當我們將 ROS 1.0 系統安裝完成後，便可以開始利用 ROS 1.0 系統內建的教學—package turtlesim 來了解 ROS 系統的訊息傳遞方式
開啟分頁型 Terminal 的快捷鍵為「 Ctrl + shift + T」
Ø 開頭若是此符號，表示為需要輸入的指令

若上述事項都已準備就緒，就可以開始閱讀下列的教學文章囉！

讓註冊 Master 的電腦，擁有一組 IP 位置

讓電腦擁有 IP 位置（圖片來源：創客萊吧提供）

這張圖所代表的意思，便是決定由哪一台電腦執行「roscore」指令，向電腦所處的區域網路，註冊「 Master Node」。首先，我們需要先讓虛擬機器（本篇文章皆採用實體名稱為 makerlab 的虛擬機器）擁有一組 IP 位置，而我們使用的「虛擬機器 Virtual box」，預設是透過「NAT」的方式獲取 IP位置，因此若是僅在虛擬機器上使用 ROS 1.0 系統，是可以正常執行的；但若是想與外部任何設備進行訊息傳遞可能就沒辦法了。（解決方法將會在輕鬆應用 ROS 的技術—理解 ROS 1.0 機器人操作系統訊息傳遞方式（下）說明）

向所在的區域網路，註冊 Master Node

向所在的區域網路註冊 Master Node（圖片來源：創客萊吧提供）

當虛擬機器擁有一組 IP 位置後，便可以執行指令，在該網域註冊 Master Node。執行完畢後，請記得查看 ROS_MASTER_URI 所顯示的資訊，是否為虛擬機器的實體名稱（本篇文章皆為 makerlab），或是虛擬機器的 IP位置。

Ø 註冊 Master Node 指令為 roscore。

執行 roscore 指令輸入（圖片來源：創客萊吧提供）

接著，為了讓我們能夠更方便的學習 ROS 1.0 系統，官方教學中可以執行一個「小烏龜」的程式碼檔案（包含訂閱者節點 subscriber node），讓我們能夠觀察小烏龜的運動軌跡，來理解 ROS 系統中的部分運作方式。

ROS 系統執行單一程式的 API ： rosrun 【package】【node_name】、Ø 開啟小烏龜的指令為 rosrun turtlesim turtlesim_node。

開啟小烏龜指令輸入（開啟分頁型 terminal 快捷鍵 :「 Ctrl + Shift + T」）（圖片來源：創客萊吧提供）

Package turtlesim 存放的程式碼檔案（圖片來源：創客萊吧提供）

順便提醒大家，通常在設計 ROS 系統程式碼檔案時，會將「節點名稱」與「程式碼檔案名稱」取為相同的名稱，因此在 ROS官方教學網頁上，部分 API 的使用方法中，才會要求輸入「node_name」參數（實際上是輸入程式碼檔案名稱）。

當然若是取不一樣的名稱， ROS 系統還是可以運作。例如下面第三部份的介紹中，程式碼檔案名稱與節點名稱便為不一樣的名稱，此處的不同是為了讓大家理解程式碼檔案名稱與節點名稱的區別。

3. 執行包含發布者節點（Publisher Node）的程式碼檔案

執行發布者節點（Publisher Node）（圖片來源：創客萊吧提供）

接著，我們的節點「teleop_turtle」先生，想要發布一個「主題」，於是他透過各種管道找到了「Master」，一個剛剛註冊的主節點。發布者節點想要找到主節點（Master）的這個過程，便是利用 ROS 1.0 系統，執行發布者節點的指令。

Ø 執行包含發布者節點 teleop_turtle 的程式碼檔案—「 turtle_teleop_key 」指令為 rosrun turtlesim turtle_teleop_key。

輸入執行 turtle_teleop_key 的指令（圖片來源：創客萊吧提供）

查詢目前的節點（Node）、主題（ Topic）與訊息（Message）

查詢目前的節點（Node）、主題（Topic）、訊息（Message）（圖片來源：創客萊吧提供）

當我們執行完 turtle_teleop_key 的程式碼檔案後，便可以利用 ROS 系統中的小工具，查詢目前系統正在執行的節點與其資訊。Ø 查詢 ROS 系統正在執行的節點需要的指令為 rosnode list。

查詢目前系統正在執行的節點與資訊（圖片來源：創客萊吧提供）

由上方的 gif 動畫，可以得知目前發布的節點有 3 個：/rosout、/teleop_turtle、/turtlesim，如果想要查看這些節點的詳細資訊，可以使用「rosnode info 【node name】」指令。

例如想要查看 /teleop_turtle 節點的資訊，Ø 查看 /teleop_turtle 節點的資訊指令為 rosnode info /teleop_turtle。

輸入查看 /teleop_turtle 節點資訊的指令（圖片來源：創客萊吧提供）

從 ROS 系統中回應的資訊，我們可以看到的結果如下圖：

ROS 系統回應的 /teleop_turtle 節點資訊（圖片來源：創客萊吧提供）

從上圖我們可以知道，/teleop_turtle 節點發布了兩個主題（Topic）：/rosout 和 /turtle1/cmd_vel，這邊要特別注意的是，每個節點本身可以同時進行發布與接收主題（Topic）的動作；換句話說，每個節點可以發佈（Publish），或是訂閱（Subscribe）多個主題（Topic）。

接下來，我們來查看主題（Topic） /turtle1/cmd_vel 的資訊，Ø 查看主題（Topic）/turtle1/cmd_vel 資訊的指令為 rostopic info /turtle1/cmd_vel。

Ø 查看主題（Topic）/turtle1/cmd_vel 資訊的指令為 rostopic info /turtle1/cmd_vel （圖片來源：創客萊吧提供）

到目前為止，我們分別查看了 Node 與 Topic，但如果系統過於龐大，開啟的節點多達上百個時，上述的查詢方法就會變得有點繁複，因此，可以用 ROS 系統中的 rqt 工具，以「動態流程圖（dynamic graph）」的方式，呈現節點（Node）與主題（Topic）之間的關係。

Ø 呼叫動態流程圖（dynamic graph）的指令為 rosrun rqt_graph rqt_graph。

輸入呼叫動態流程圖（dynamic graph）的指令（圖片來源：創客萊吧提供）

當動態流程圖（dynamic graph）的畫面跳出來後，需要將滑鼠移動到主題（Topic）的字樣上，才能顯示出顏色，好讓我們區分節點（Node）。

需將滑鼠移動到主題（Topic）的字樣上，才會顯示顏色（圖片來源：創客萊吧提供）

其中：

藍色字體：發布者節點（Publisher Node）
紅色字體：主題（Topic）
綠色字體：訂閱者節點（Subscriber Node）

透過呼叫動態流程圖（dynamic graph）的方法，我們可以快速了解到 ROS 系統中各個節點（Node）之間的關係與傳遞的主題（Topic）。當我們知道傳遞的主題（Topic）後，接著就要來了解訊息（Message），而其實每個主題（Topic）裡的資訊內容，便是訊息（Message）。

那我們就來查看主題（Topic）/turtle1/cmd_vel 的訊息（Message）geometry_msgs/Twist ，看看它擁有什麼樣的資料格式？Ø 查看訊息（Message）geometry_msgs/Twist 的指令為 rosmsg show geometry_msgs/Twist。