如何使用節點

繼前一篇 ROS Node 節點概念與意義 之後,我們聊解了結點的概念,那要如何使用呢?

如何啟動節點?

在啟動節點之前,請先啟動管理器,也就是 master,在終端機打:

$ roscore

啟動 Master 後,再來才能啟動所有節點。

$ rosrun [程式包名稱] [節點名稱]

例如;

$ rosrun turtlebotsim turtlebotsim_node

附帶一提,當使用 roslaunch 批次啟動節點時,由於 roslaunch 會自動啟動 master,所以便不必在啟動之前輸入 roscore。

rosrun 本身的設計是可以讓使用者直接修改節點內的參數,就只需用引數的方式加在節點後面。例如:

$ rospy_tutorials talker _param:=1.0

就像結尾那個 _para:=1.0 一樣,注意,給值是用":=",而不是"="或"=="。

參數伺服器(Parameter Server)

為了瞭解節點後面的參數是怎麼一回事,我們可以先簡介一下參數伺服器(更深入的探討可以參考這裡)。參數伺服器是一個儲存所有參數的字典大倉庫,其中的參數值可以在執行時間以 ROS 的 API 直接存取。當我們在節點內定義參數時,其中的參數以及包含的資料,就會被記錄在參數伺服器內。

其他特殊字元

像剛才的 _param,其實這些參數是我們在寫節點程序的時候,自己定義的,所以只要知道節點裡面有涉及哪些參數,便可以直接在諸端機後面直接當場指定,只是這只是暫時的,下次啟動節點,一樣會使用預設值。還有,以下的名稱為系統內定,我們在指定參數時,不可以使用。

__name

這個特殊保留字元讓使用者可以重新位節點取名。必須要啟動至少一個節點的情況下,才能使用。

__log

這個特殊字元讓使用者可以指定錯誤訊息(log)的謝入位置,一般不建議使用,因為錯誤訊息通常是給其他工具參照的。

__ip, __hostname

這兩者代表著系統參數 ROS_IP 和 ROS_HOSTNAME一般不建議使用,除非在系統無法設定系統參數的特殊狀況下。

__master

這個特殊字元代表 ROS_MASTER_URI一般不建議使用,除非無法設定系統參數。

__ns

這個特殊字元代表  ROS_NAMESPACE一般不建議使用,除非無法設定系統參數。

將引數 Remap

結尾的引述,也可以用來 Remap。其實這個功能是真的很實用。語法就是 name:= target_name 。例如今天我們要改變雷射測距儀發佈出來的話題名稱,我們可以像這樣做:

$ rosrun hokuyo_node hokuyo_node /scan:=/new_scan

這樣,就可以把原先的話題 /scan 改成 /new_scan 了。

其他好用的工具

rosnode

rosnode 是一個指令工具,用來顯示所有節點的資料,例如顯示目前執行中的所有節點。其支援的指令包括:

rosnode info [節點]

顯示節點的詳細資料。

rosnode kill [節點]

將一個節點強制關閉。

rosnode list

條列所有執行中的節點。

rosnode machine [hostname]

將某機台上的所有執行中的節點條列出來。

rosnode ping [節點]

測試節點連線。有點像終端機測試電腦連線的 ping 指令。

rosnode cleanup

將殭屍節點的註冊資訊清除。

注意:這只是暫時性的解法,一般操作時不建議使用。這個功能可能會誤砍正在執行中的節點。

rqt

rqt 是一個方便開發上除錯、執行時監控、動態調整參數等等功能的,基於 Qt寫成的 GUI 工具,有點像是電機工程師相當仰賴的示波器和三用電表。詳細的參考資料可以參考 rqt – ROS Wiki

ros_gui.png

rqt_graph

rqt_graph 是 rqt 中的 GUI 插件,用來直接觀看各節點的運作狀態。更詳細的資料可以參考 rqt_graph – ROS Wiki

snap_rqt_graph_moveit_demo

rqt_reconfigure

rqt_reconfigure 接替了 dynamic_reconfigure (reconfigure_gui),提供可以及時動態監控與調整dynamic_reconfigure 所能偵測到的參數的功能。詳細資料可以參考 rqt_reconfigure – ROS Wiki

使用的方法如下:

$ rosrun rqt_reconfigure rqt_reconfigure

reconfigure_gui3

Launch 檔中啟動節點的方法

啟動節點相當簡單,在 launch 檔中,使用 <node>標籤即可。roslaunch 無法確保節點是否會按照使用者寫的順序依依開啟,不過就筆者經驗,launch 會逐步將各節點啟動,所以有些需要時間啟動的節點,個人的經驗,是將其寫在 launch 檔的後面。在某些情況下,由於某類節點會需要接收到輸入,或需要花較久時間啟動,為了因應這種狀況,也會將這類節點放在後面啟動。啟動節點的語法如下

<node pkg="foo" type="foo" name="foo" [屬性1] [屬性2] … [屬性n] />

上面<node>標籤裡面可以加上其他屬性。屬性有以下:

pkg=””

 

程式包名稱

type=””

 

節點類型,必須對應到一個存在,有相同名稱的節點

name=””

 

節點名稱,跟 __name相似,但只要這個launch檔啟動,這個節點就會被這個使用者自訂的名稱稱之。注意,不要包含命名空間,若要加上命名空間,請使用
ns 屬性。

args=”arg1 arg2 arg3”

非必要

輸入節點所需的引數。通常會常使用在
nodelet
的啟動上。

machine=””

非必要

指定啟動某一機台上的節點,請參考
<machine>
,使用方法可以參考這篇

respawn=”true”

非必要

當節點關閉時,自動再啟動它。

respawn_delay=”30” (預設為0)

非必要

如果 respawn=true,系統會等待指定秒數,才會讓關閉的節點再度啟動。

required=”true”

非必要

如果節點關閉,則關閉整個  launch 檔。

ns=””

非必要

指定節點的命名空間。

clear_params=”true|false”

非必要

在啟動之前,刪除節點私有空間中的所有參數

output=”log|screen”

非必要

如果選擇 screen,來自節點的stdout/stderr(輸出資訊/錯誤訊息)會顯示於終端機上,若為 log,則除了會被寫入 $ROS_HOME/log 內,也會顯示於終端機上。預設是 log

cwd=”ROS_HOME|node”

非必要

若引數值為 node,節點的工作路徑會被設為節點實際執行檔所在的路徑上。在
C-Turtle版本之後,預設值皆為ROS_HOME

Launch-prefix=”prefix arguments”

非必要

這個指令會將結點在 gdbvalgrind
xterm
nice等工具來在執行時間內除錯。更詳細的使用方法,請參考
Roslaunch Nodes in Valgrind or GDB

在<node>標籤中,你可以加上元素搭配使用。實例中會將命令指令與 launch 檔裡的語法做對應。元素的語法如下:

<node pkg=”” type=”” name=””>
    <element1/>

    <element2/>

     ….

    <element n />

</node>

可以用的元素如以下:

<env>

為節點設定環境變數。只有在這個元素後宣告的節點會起作用。

<remap>

為節點 remap 其引數。

<rosparam>

rosparam  檔載入該節點的 ~/local  命名框間中。簡言之,就是載入系統參數進節點中。

<param>

將參數載入節點的 ~/local 命名框間中。簡言之,就是將參數載入到節點內。

所以,如果終端機指令為:

$ rosrun my_pkg my_node __ns:=myns __name:=/new_node __param:=1.0 /old_topic:=/new_topic

對應到 launch 檔,則可以寫成:

 <node pkg="my_pkg" type="my_node" name="new_node" ns="myms" output="screen">

      <param name="param" value="1.0″ />

      <remap from="old_topic" to="new_topic" />

</node>

由於 launch 檔內直接載明了所有參數的設定值,所以在常使用某節點做測試,或執行的情況下,比每次都要打指令來得較為實際。

以上就是 ROS 中節點的使用方式。接下來,我們要探討如何撰寫節點。

ROS Node 節點的概念與意義

如果要理解節點的意義,需要從 ROS 的網狀架構說起。為什麼 ROS 是網狀架構呢?因為最初需要一整個軟體架構,來解決「抓取東西」的問題。這裡面就涉及如何擷取雷射掃描的資訊、馬達的控制、手臂每個環節的定位等等,如果每一個功能都由一個程序負擔,則會構成一個類似圖一的網狀行結構。

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圖一  抓取東西的整個軟體架構

其實這樣的架構並非 ROS 首創,如果您學過網路架構相關知識,可以看得出來這樣的網路其實就是 Real-Time Publisher-Subscriber Protocol (RTPS),這個網狀圖或 Graph中,每個程序就是一個節點(Node),它們之間傳遞的訊息,就由邊(Edge)連起來。其中的節點為 POSIX 程序,邊則以 TCP連接。這樣的聯繫架構實作了平行運算,將功能與原始碼獨立開來,讓系統便得更簡潔,且有更大的容錯度。一個節點出問題掛了,只會自己關閉而不會連累到其他程序,錯誤的訊息會被寫進 logger 當中,供之後除錯時參考(圖二)。但其實更重要的特點,是可以極少依賴或根本不需要黏膠代碼(Software Glue)來組建一個複雜的系統,換個角度想,可以將不同語言寫成的節點串連起來構建出一個完整的系統。

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圖二  節點之間除了溝通,也與 logger 連接,一單發生錯誤,錯誤訊息便會寫進 logger 裡。

所以,我們可以利用這樣彈性的網路,在執行時,將一個子網路接上另外一個子網路,或者即時將一個子網路替換成另外一個。這就是為什麼我們可以將真實機器人上使用的程式全套搬到模擬器上模擬,或者當場替換一個手臂抓取的功能等等。

那我們又要怎麼確定將不同節點,甚至不同機台上的節點接起來的時候,彼此可以找得到彼此呢?這就必須要藉由 roscore 來紀錄大家的存在,讓所有節點都可以看得見彼此。

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圖三  節點管理器負責註冊所有節點,讓彼此能溝通。

想看一下實際的狀況嗎?我曾經開發一個用 RGB-D 相機辨識人體,並將辨識到的人過濾到的專案,發揮的功能,有點像是一個隱形斗篷的概念,就稱這個專案為「影行斗篷專案」吧!所有的節點串起來,就像圖五那樣。

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圖四  節點分成兩種:發布者(Publisher)和訂閱者(Subscriber),連接節點的邊則為訊息,訊息會張貼在話題這個容器中,讓不同的訂閱者取用。

架構講完了,概括一下。ROS中有幾個基本的元素:

  • 節點(Node):一個節點極為一個執行序,收進來訊息,也傳出訊息,用這種方式,節點跟節點之間便可以溝通。節點也可以提供或使用某種服務。
  • 消息(Message):消息是一種 ROS 數據類型,用於訂閱或發布到一個話題。ROS 有預設的樣板,使用者也可以自訂樣板。
  • 話題(Topic):節點可以發布消息到話題,也可以訂閱話題以接收消息。
  • 節點管理器(Master):ROS 名稱服務
  • rosout:ROS中相當於 stdout/stderr。
  • roscore:主機+rosout+參數服務器 (parameter server)

 

目前 ROS 支援的語言,或者筆者看過的有以下幾種:

  • roscpp,也就是用 C++撰寫。
  • rospy,使用 Python 撰寫。
  • rosjava,使用 JAVA 撰寫,對應連接 Android 等智慧裝置開發的需求。
  • ROS support from Robotics Sytem Toolbox ,將 MATLAB 結合 ROS 的方案。安裝方式請參考這裡
  • RobotOS.jl,對於使用日漸廣泛的 Julia 語言,也提供了介面

 

 

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圖五  啟動「隱形斗篷專案」中所有節點後的網狀圖,其中一行一行毛毛蟲,就是整個系統的中一個一個節點。

我們會在之後的篇章中,討論如何使用節點,以及更重要的,如何撰寫節點。