ROS 学习笔记

写在前面：

本文章是根据 ROS 官方文档以及其他相关资料翻译、整理而来。碍于本人学识有限，且非本专业人士，部分叙述难免存在纰漏，请读者注意甄别。

使用版本：

• Linux 20.04 LTS
• ROS Noetic (ROS1)

参考资料：

• ROS 官方网站
• ROS Wiki
• ROS (NOETIC) 官方教程
• ROS2 (HUMBLE) 官方文档
• 张虎（2022）：《机器人SLAM导航：核心技术与实战》，北京：机械工业出版社。

0. 安装

ROS Noetic / linux 20.04

• ROS Noetic 环境安装及配置：官方教程(EN)
• Ubuntu 20.04.6 LTS 官方镜像文件

ROS2 Humble / linux 22.04

1. 首先确保我们所使用的系统环境支持utf-8编码。使用如下命令查看：

   locale	# check for utf-8

2. 添加 ROS2 apt 的依赖：

   • 首先确保 Ubuntu Universe repository 是可用的：

     sudo apt install software-properties-common
     sudo add-apt-repository universe

   • 使用 apt 添加 ROS2 的 GPG公钥：

     sudo apt update && sudo apt install curl -y
     sudo curl -sSL https://raw.githubusercontent.com/ros/rosdistro/master/ros.key -o /usr/share/keyrings/ros-archive-keyring.gpg

   • 然后添加 ROS2 的 repo 到我们的 sources.list 中：

     echo "deb [arch=$(dpkg --print-architecture) signed-by=/usr/share/keyrings/ros-archive-keyring.gpg] http://packages.ros.org/ros2/ubuntu $(. /etc/os-release && echo $UBUNTU_CODENAME) main" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/ros2.list > /dev/null

3. 安装 ROS 开发工具

   • 安装公共基础软件包：

     sudo apt update && sudo apt install -y \
       python3-flake8-docstrings \
       python3-pip \
       python3-pytest-cov \
       python3-vcstool \
       ros-dev-tools

   • 安装基于 linux-22.04 版本的软件包：

     sudo apt install -y \
        python3-flake8-blind-except \
        python3-flake8-builtins \
        python3-flake8-class-newline \
        python3-flake8-comprehensions \
        python3-flake8-deprecated \
        python3-flake8-import-order \
        python3-flake8-quotes \
        python3-pytest-repeat \
        python3-pytest-rerunfailures

4. 当我们要使用 ROS2 相关的命令时，我们每次都需要先输入以下命令：

   # Replace ".bash" with your shell if you're not using bash
   # Possible values are: setup.bash, setup.sh, setup.zsh
   source /opt/ros/humble/setup.bash

   当然，我们可以将其写入 .bashrc 文件（或其他类似配置）中：

   echo "source /opt/ros/humble/setup.bash" >> ~/.bashrc		# 或其他类似的bash配置

   然后检查环境变量是否设置成功：

   printenv | grep -i ROS

   检查ROS_DISTRO 和 ROS_VERSION是否设置成功：

   ROS_VERSION=2
   ROS_PYTHON_VERSION=3
   ROS_DISTRO=humble

5. 克隆一个演示项目到 workspace 的 src 中：

   mkdir -p ~/ws_ros2_humble/src
   cd ~/ws_ros2_humble
   vcs import --input https://raw.githubusercontent.com/ros2/ros2/humble/ros2.repos src

6. 使用 rosdep 安装这个演示项目需要使用的依赖：

   （推荐在每次安装新依赖之前更新一遍系统的依赖环境）

   sudo apt upgrade

   sudo rosdep init
   rosdep update
   rosdep install --from-paths src --ignore-src -y --skip-keys "fastcdr rti-connext-dds-6.0.1 urdfdom_headers"

7. 创建（Build）工作空间下的所有代码：

   注意 ⚠️

   如果安装过其他 ROS 版本，请先确保在 .bashrc（或其他类似配置）中不存在 source /opt/ros/${ROS_DISTRO}/setup.bash，以确保避免其他 ROS 版本的干扰。

   同时，可以使用命令printenv | grep-i ROS，确保其输出为空。

   • Build the code

   cd ~/ros2_humble/
   colcon build --symlink-install

8. 代码创建完成后，我们首先需要配置局部的运行环境：

   # Replace ".bash" with your shell if you're not using bash
   # Possible values are: setup.bash, setup.sh, setup.zsh
   . ~/ros2_humble/install/local_setup.bash

9. 然后尝试运行一些实例：

   • 终端1

   # python ver.
   . ~/ros2_humble/install/local_setup.bash
   ros2 run demo_nodes_py listener

   • 终端2

   # python ver.
   . ~/ros2_humble/install/local_setup.bash
   ros2 run demo_nodes_py talker

   观察程序运行的过程。

1. ROS 入门知识

1.1 ROS 简介

ROS（Robotic Operation System，机器人操作系统）。简单点说，ROS 就是一个分布式的通信框架，帮助程序进程之间更方便的通信。通常在一个机器人中包含多个部件，每个部件都有配套的控制程序；或者在机器人集群中协调多个机器人，这正是 ROS 设计的初衷。他并不是一个真正意义上的操作系统，其底层的任务调度、编译、设备驱动等还是由他它的原生操作系统 Linux 完成。

ROS 的核心思想就是将机器人的软件功能做成一个个节点，节点之间通过互相发送消息进行沟通。这些节点可以部署在同一台主机上，也可以部署在不同的主机、甚至互联网上。在 ROS1 中，网络通信机制中的主节点（master）负责对网络中各个节点之间的通信过程进行调度管理，同时提供一个用于配制网络中全局参数的服务。

同时，ROS 时松耦合软件架构，提供了丰富开源的功能库。

1.2 ROS 开发环境的搭建

1.2.1 ROS 的安装

使用 ROS 进行开发时，一般需要机器人和工作台两个部分。机器人通常采用低功耗的 ARM 平台嵌入式主板作为主机；工作台大多选择 X86 平台作为主机。

官员 ROS 的安装，详见第〇章。

1.2.2 ROS 文件的组织方式

ROS 的文件被放在系统空间和工作空间两个地方。

系统空间

系统空间是存放 ROS 系统安装包的目录，在 /opt/ros/ 目录中存放着 roscore、rviz、rqt 等 ROS 核心工具。要使用他们，需要先使用如下命令激活系统空间：

echo "source /opt/ros/noetic/setup.bash" >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc

工作空间

工作空间是用户开发自己程序的文件夹，里面用来存放用户开发的功能包程序，文件是源代码形式。ROS 的开源社区有非常多的功能包，用户可以直接使用 apt 命令安装二进制功能包到系统空间，也可以将源代码下载到工作空间中，然后手动编译。工作空间的功能包可以直接覆盖系统空间下的同名功能包。

# 新建工作空间
mkdir ~/catkin_ws/src

# 初始化 src 目录
cd ~/catkin_ws/src
catkin_init_workspace

# 对工作空间进行编译
cd ~/catkin_ws
catkin_make

# 激活工作空间
echo "source ~/catkin_ws/devel/setup.bash" >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc

1.2.3 ROS 网络通行配置

在构成 ROS 网络通信的各台主机中，必须指明一台主机作为主节点负责管理整个 ROS 网络通信，同时要声明参与通信的各个主机（配置每台主机中的环境变量 MASTER 和 HOST）。

打开 ~/.bashrc 文件，添加如下环境变量

export ROS_MASTER_URI=http://localhost:[PORT]
export ROS_HOSTNAME=localhost

1.3 ROS 系统架构

按照官方的说法，可以分别从计算图结构、文件系统和开源社区视角来理解 ROS 架构。

1.3.1 从计算图视角理解 ROS 结构

ROS 中可执行程序的基本单位叫节点（node），节点之间通过消息机制进行通讯，这样就组成了一张网状图，也叫计算图。如下图

附录1. 一些常用的命令

1. 关于 ROS 文件系统的导航

• 如何在 ROS 中找到某个 package 在本机文件系统中的位置：

  rospack find [PACKAGE_NAME]

  rospack 命令可以允许我们得到和 package 相关的信息。

• 如何查看 ROS 环境中生效的所有 package 在本机文件系统中的位置：

  echo $ROS_PACKAGE_PATH

• 如何直接切换到某个 package 在本机文件系统中的位置：ROS + cd

  roscd <PACKAGE_NAME> [/SUBDIR]

• 如何直接查看某个 package 下的内容：ROS + ls

  rosls <PACKAGE_NAME> [/SUBDIR]

2. 关于 package 的创建

• ROS Neotic 中 Workspace 的文件组成结构：

  workspace_floder/					-- WORKSPACE
  	src/							 -- SOURCE SPACE
  		CMakeLists.txt				-- 'Toplevel' Cmake file, provided by catkin
  		package_1/
  			CMakeLists.txt			-- 'CMakeLists.txt' file for package_1
  			package.xml				-- Package manifest for package_1
  			...
  		...
  		package_n/
  			CMakeLists.txt			-- 'CMakeLists.txt' file for package_n
  			package.xml				-- Package manifest for package_n
  			...

• 如何创建一个 catkin package

  cd [YOUR_CATKIN_WORKSPACE]/src

  catkin_create_pkg <PACKAGE_NAME> [DEPENDS...]
  # 这里的 [DEPENDS...] 可以有多个参数，这些 depends 都是该 package 的直接(first-order)依赖

• 如何 build 整个工作空间并 source 这个工作空间的 setup.bash

  cd [YOUR_CATKIN_WORKSPACE]
  catkin_make

  此时，一些文件夹会在 [YOUR_CATKIN_WORKSPACE] 中创建，如 devel/ 等

  # 这里取决于你用的bash的类型，普通的bash:setup.bash, zsh:setup.zsh
  source [YOUR_CATKIN_WORKSPACE]/devel/setup.bash

• 如何查询一个 package 的依赖 (dependency)：

  # 查询一个 package 的直接(first-order)依赖
  rospack depends1 [PACKAGE_NAME]

  # 查询一个 package 的所有依赖
  rospack depends [PACKAGE_NAME]

3. 关于 package 的 build（构建）

• 如何使用 catkin_make 命令行工具：

  catkin_make 命令行工具将标准 CMake 工作流程中对 cmake 和 make 的调用结合在了一起。

  catkin_make [MAKE_TARGETS] [-DCMAKE_VARIABLES=...]

  上述命令将构建在 src/ 文件夹中找到的任何 catkin 项目。如果您的源代码放在不同的地方，比如 my_src/，那么您可以这样调用 catkin_make：

  catkin_make --source my_src

• 如何 build 整个工作空间并 source 这个工作空间的 setup.bash

  cd [YOUR_CATKIN_WORKSPACE]
  catkin_make

  此时，一些文件夹会在 [YOUR_CATKIN_WORKSPACE] 中创建，如 devel/ 等

  # 这里取决于你用的bash的类型，普通的bash:setup.bash, zsh:setup.zsh
  source [YOUR_CATKIN_WORKSPACE]/devel/setup.bash

4. 关于 rosnode 的一些操作

• 当我们使用 ROS 时，roscore 是第一个应该被执行的命令：

  roscore

• rosnode 显示当前正在运行的 ROS 节点信息：

  # 该命令会列出所有处于活动状态的 node
  rosnode list

  # 该命令会返回指定 node 的信息
  rosnode info <SPECIFIC_NODE>

  # 该命令会测试指定 node 是否可访问
  rosnode ping <SPECIFIC_NODE>

注意⚠️

每当打开一个新终端时，你的环境会被重置，你的 ~/.bashrc 文件也会被 source。

如果在运行 rosnode 等命令时遇到困难，则可能需要在 ~/.bashrc 中添加一些环境设置文件，或手动重新获取它们。

• rosrun 直接运行包中的节点：

  rosrun <PACKAGE_NAME> <NODE_NAME>

5. 关于 rostopic 的操作

使用 rostopic 工具可以获取有关 ROS topic 的信息。

你可以使用帮助选项（-h）获取 rostopic 的可用子命令：

rostopic -h

rostopic bw 		# 显示 topic 使用的带宽
rostopic echo 		# 打印 topic 信息到屏幕
rostopic hz			# 显示 topic 的发布率    
rostopic list		# 打印 topic 主题的信息
rostopic pub		# 向 topic 发布数据
rostopic type		# 打印 topic 类型

• rostopic list：

  rostopic list 返回当前订阅和发布的所有主题的列表。

  rostopic list -h

  使用方法： rostopic list [/topic] (主题列表)
  
  选项
    -h、--help						显示帮助信息并退出
    -b BAGFILE, --bag=BAGFILE		列出 .bag 文件中的主题
    -v, --verbose					列出每个主题的全部详细信息
    -p 							只列出发布者
    -s							只列出订阅者

• rostopic type：

  rostopic type 返回正在发布的任何主题的信息类型。

  rostopic type [TOPIC]

  我们可以使用 Linux 系统中的管道符 | 来直接查看指定 topic 的内容格式定义，以消息 msg 为例：

  rostopic type [TOPIC] | rosmsg show

• rostopic pub：

  rostopic pub 向当前指定 topic 的数据。

  rostopic pub [TOPIC] [MSG_TYPE] [ARGS]

  以 turtlrsim 为例，

  rostopic pub -1 /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/Twist -- '[2.0, 0.0, 0.0]' '[0.0, 0.0, 1.8]'

  其中：

  • rostopic pub 命令将向指定主题发布消息
  • 选项（-1）会导致 rostopic 只发布一条消息，然后退出
  • /turtle1/cmd_vel 是要发布到的主题名称
  • geometry_msgs/Twist 是发布到主题时要使用的信息类型
  • 选项（--）告诉选项解析器以下参数都不是选项。如果参数前有破折号"-"，例如负数，则需要使用此选项
  • geometry_msgs/Twist 类型的 msg 有两个向量，每个向量有三个浮点元素：线性和角度。在本例中，"[2.0, 0.0, 0.0]" 是线性值，其中 x=2.0、y=0.0、z=0.0；"[0.0, 0.0, 1.8]" 是角度值，其中 x=0.0、y=0.0、z=1.8。这些参数实际上是 YAML 语法，在 YAML 命令行文档中有更多描述。

  我们可以使用 rostopic pub -r 命令发布重复连续的命令。同样以 turtlrsim 为例，我们希望发送命令的频率为 1Hz，则有如下命令

  rostopic pub /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/Twist -r 1 -- '[2.0, 0.0, 0.0]' '[0.0, 0.0, -1.8]'

6. rosservice 和 rosparam 的相关操作

• rosservice：

  rosservice list 		# 打印有关活动服务的信息
  rosservice call 		# 使用提供的参数调用服务
  rosservice tpye 		# 打印服务类型
  rosservice find 		# 按服务类型查找服务
  rosservice uri 			# 打印服务 ROSRPC uri

• rosparam：

  rosparam set 		# 设置参数
  rosparam get 		# 获取参数
  rosparam load 		# 从文件加载参数
  rosparam dump 		# 将参数转储到文件
  rosparam delete 	# 删除参数
  rosparam list 		# 列出参数名称

7. 使用 rqt 相关工具

• 使用 apt 工具安装 rqt：

  sudo apt install ros-$ROS_DISTRO-rqt ros-$ROS_DISTRO-rqt-commom-plugins

• 使用 rqt_graph 工具：

  rqt_graph 可以用于可视化 ROS 节点（nodes）、话题（topics）、服务（services）和参数（parameters）之间的关系，以帮助用户更好地理解和调试 ROS 系统。

  rosrun rqt_graph rqt_graph

• 使用 rqt_plot 工具：

  rqt_plot 工具用于实时绘制和可视化 ROS 话题（topics）中的数据。它通常用于监视传感器数据、控制输出或其他实时生成的数值数据，以便用户可以更轻松地理解和分析这些数据。

  rosrun rqt_plot rqt_plot

• 使用 rqt_console 和 rqt_logger_level 工具：

  rqt_console 工具用于查看和管理 ROS 系统中的日志消息。它主要用于调试和监视 ROS 节点的日志消息，帮助开发人员在开发和运行 ROS 应用程序时快速发现和解决问题。

  rqt_logger_level 工具用于查看和管理ROS节点的日志级别。

  rosrun rqt_console rqt_console
  rosrun rqt_logger_level rqt_logger_level

8. 使用 .launch 文件启动节点

关于 .launch 文件的讲解

roslaunch [PACKAGE] [FILENAME.launch]

附录2. 远程控制ROS机器人的两种方式

注意 ⚠️：

远程控制 ROS 机器人的方式可能并非两种，这里只是笔者接触到的两种最常用的控制形式。在此记录，防止日后忘记。同时也将记录使用这两种方法遇到的问题，以及当时的解决方法。

参考文章：

• ROS主从机详细配置

1. ROS 主从节点控制（ROS Noetic）

在 ROS 第一个版本中（这里指 ROS Noetic），可以设置一台主机（MASTER）和多台从机（SLAVE）。

注意 ⚠️：

这种“主从机制”只针对与 ROS 第一个版本，ROS2 中似乎不再有“主从”的概念。详细请参考ROS2。

我们可以在主机中启动 MASTER 节点，从机启动其他节点，这样就可以在这些配置好的主从机之间相互通信，其中的网络通信过程对于我们而言是透明的，就像是在同一台主机上。

以下是配置过程：

1. 使用该方法的前提是两台均已安装好 ROS 环境的机器（最好是同版本，不同版本未测试）。

2. 设置两台主机的 IP 地址：

   在同一网段下设置两台机器的静态 IP，以笔者测试环境举例：

   • 网关地址：192.168.2.1
   • 子网掩码：255.255.255.0
   • 主机 IP（Jetson）：192.168.2.200
   • 从机 IP（Ubuntu）：192.168.2.201

3. 修改 .bashrc 或 .zshrc 等系统环境配置：

   • 主机（Jetson）中添加：

     export ROS_HOSTNAME=$YOUR_HOSTNAME	# 设置本机的Host，一般为IP地址
     export ROS_IP=$YOUR_IP		# 设置本机的IP地址
     export ROS_MASTER_URI=http://$YOUR_IP:11311	# 将本机设置为主机

   • 从机（Ubuntu）中添加：

     export ROS_HOSTNAME=$YOUR_HOSTNAME	# 设置本机的Host，一般为IP地址
     export ROS_IP=$YOUR_IP		# 设置本机的IP地址
     export ROS_MASTER_URI=http://$YOUR_MASTER_NODE_IP:11311	# 将本机设置为主机

   注意 ⚠️：

   这里的 ROS_MASTER_URI 特指主机的 URI，受同时主机控制的从机该属性均相同。

4. 修改 /etc/hosts 文件：

   我们需要修改主从机的 /etc/hosts 文件，这样主从机之间才可以相互通信。如果主机的 /etc/hosts 文件中没有添加从机的信息，从机只能接收到主机发来的消息，而不能向主机发送消息。

   sudo vim /etc/hosts

   • 主机中添加：

     # ROS_SLAVE_MACHINE
     # MACHINE_IP	MACHINE_HOST
     $YOUR_SLAVE_IP	$YOUR_SLAVE_HOSTNAME

   • 从机中添加：

     # ROS_MASTER_MACHINE
     # MACHINE_IP	MACHINE_HOST
     $YOUR_MASTER_IP	$YOUR_MASTER_HOSTNAME

5. 测试：

   现在我们就可以测试主从机之间能否顺利通信。

   • 主机上运行：

     roscore				# 开启 ROS 节点
     rostopic echo /test_topic	# 监听 /test_topic 话题

   • 从机上运行：

     # 向 /test_topic 话题发送1次内容为 'Hello from the other side!' 的 std_msgs/String 消息
     rostopic pub /test_topic std_msgs/String -1 -- 'Hello from the other side!'

   • 观察主机输出：

     data: "Hello from the other side!"

2. 通过 ROSBridge_server 的方法实现 websocket 控制

参考文章：

• ROS Wiki: rosbridge_suite
• rosbridge_suite 源代码
• ROS web tutorial

2.1 介绍 rosbridge_suite

ROSBridge 为非 ROS 程序提供了 ROS 功能的 JSON API。有多种前端与 rosbridge 交互，包括用于 Web 浏览器交互的 WebSocket 服务器。rosbridge_suite 是一个元包，包含 rosbridge、rosbridge 的各种前端包（如 WebSocket 包）和帮助程序包。

rosbridge 有两个部分：协议和实现。

2.1.1 ROSBridge 协议

ROSBridge 协议是用于向 ROS 发送基于JSON 的命令的规范。订阅主题的协议示例：

{ "op": "subscribe",
  "topic": "/cmd_vel",
  "type": "geometry_msgs/Twist"
}

该规范与编程语言和传输层无关。其目的在于，任何可以发送 JSON的语言或传输都可以通过 ROSBridge 协议与 ROS 交互。该协议涵盖订阅（Subscribe）和发布（Publish）主题、服务（Service）调用、获取和设置参数（Parameter），甚至压缩消息等。

2.1.2 ROSBridge 的实现

rosbridge_suite 包是实现 ROSBridge 协议并提供 WebSocket 传输层的包的集合。

rosbridge_suite 包括：

• rosbridge_library：核心 rosbridge 包。rosbridge_library 负责获取 JSON 字符串并将命令发送到 ROS，反之亦然。
• rosapi：通过通常为ROS 客户端库保留的服务调用来访问某些 ROS 操作。这包括获取和设置参数、获取主题列表等等。
• rosbridge_server：虽然 rosbridge_library 提供 JSON<->ROS 转换，但它将传输层留给了其他人。rosbridge_server 提供WebSocket连接，以便浏览器可以“与 rosbridge 对话”。roslibjs是一个用于浏览器的JavaScript库，可以通过 rosbridge_server 与 ROS 通信。

2.2 ROSBridge 的安装

• ROSBridge 已提供 Debian 版本以供安装。

sudo apt install ros-$ROS_DISTRO-rosbridge-suite
sudo apt install ros-$ROS_DISTRO-rosbridge-server

• 使用源码编译：rosbridge_suite 源代码

2.3 ROSBridge 的使用

要启动 ROSBridge 及其软件包（如 rosbridge_server 和 rosapi），安装中包含 .launch 文件。要启动该文件，输入如下命令运行：

roslaunch rosbridge_server rosbridge_websocket.launch address:=$YOUR_IP port:=$PORT	# default port 9090

1. 我们在自己的工作空间下，从创建 package 开始：

   cd $YOUR_WORKSPACE/src
   catkin_create_pkg test_rosbridge --catkin-deps rosbridge_server

2. 在 package 中创建一个 .launch 文件：

   mkdir $YOUR_WORKSPACE/test_rosbridge/launch
   vim $YOUR_WORKSPACE/test_rosbridge/launch/test_websocket.launch

   在 test_websocket.launch 文件中写入如下的内容：

   <launch>
       <include file="$(find rosbridge_server)/launch/rosbridge_websocket.launch">
           <-- 默认端口为 9090 --/>
           <arg name="port" value="9090"/>
       </include>
   </launch>

3. 然后我们测试 rosbridge_server：

   cd $YOUR_WORKSPACE
   catkin_make
   source devel/setup.bash		# 或 devel/setup.zsh
   roslaunch test_rosbridge test_websocket.launch

   最后我们可以观察 terminal 中的输出：

   [INFO] [1561100304.196110]: Rosbridge WebSocket server started at ws://0.0.0.0:9090

2.4 JavaScript 通过 WebSocket 使用 ROSBridge

• 【目标】通过网页（JavaScript）与主机的 ROS 环境通信
• 【前提配置】在同一网段下设置主机的静态 IP，以笔者测试环境举例：
  • 网关地址：192.168.2.1
  • 子网掩码：255.255.255.0
  • 主机 IP（Jetson）：192.168.2.200

注意 ⚠️

这里是一个没有 ROS 环境的机器与 ROS 主机之间的通信。

2.4.1 创建一个 html 文件

1. 我们从最简单的本机控制开始，创建一个 html 文件：

   mkdir $YOUR_WORKSPACE/web
   vim $YOUR_WORKSPACE/web/test_websocket.html

   <!DOCTYPE html>
   <html>
   
   <head>
     <meta charset="utf-8" />
   
     <!-- 导入 robot web tool JS 包 -->
     <script type="text/javascript"
       src="https://cdn.jsdelivr.net/npm/eventemitter2@6.4.9/lib/eventemitter2.min.js"></script>
     <script type="text/javascript" src="https://cdn.jsdelivr.net/npm/roslib@1/build/roslib.min.js"></script>
   
     <script type="text/javascript" type="text/javascript">
       var ros = new ROSLIB.Ros({
         url: 'ws://192.168.2.200:9090'
       });
   
       ros.on('connection', function () {
         document.getElementById("status").innerHTML = "Connected";
         console.log('Connected to websocket server.');
       });
   
       ros.on('error', function (error) {
         document.getElementById("status").innerHTML = "Error";
         console.log('Error connecting to websocket server: ', error);
       });
   
       ros.on('close', function () {
         document.getElementById("status").innerHTML = "Closed";
         console.log('Connection to websocket server closed.');
       });
     </script>
   </head>
   
   <body>
     <h1>Simple ROS User Interface</h1>
     <p>Connection status: <span id="status"></span></p>
     <p>Last /test_topic received: <span id="msg"></span></p>
   </body>
   
   </html>

   💡代码解释：

   • 首先，我们从 Robot Web Tools CDN 导入需要的 JS 包；

   • 我们创建一个 ROS 对象，用于稍后与其他节点通信。目前，我们在同一台机器上运行 JS 和 rosbridge，因此监听的是 localhost 和默认的 9090 端口：

     var ros = new ROSLIB.Ros({
         url: 'ws://localhost:9090'
     });

     当我们需要访问从远端访问同网段下的 ROS 主机时，我们需要将这里的 url 参数改为 ROS 主机参数：

     url: 'ws://192.168.2.200:9090'

   • 我们为 ROS 事件（本例中为连接事件）创建了监听器。当事件发生时，我们会找到一个 id="status" 的 HTML 元素（在本例中是我们在 <body> 中定义的 <span> 元素），然后将 HTML 的内部更改为我们想要显示的信息，并在控制台打印消息。

     ros.on('connection', function () {
         document.getElementById("status").innerHTML = "Connected";
         console.log('Connected to websocket server.');
     });

   • 此时，我们用浏览器打开这个 HTML 文件，我们可以看到页面上显示：

   Connection status: Connected

   • 打开浏览器的控制台（快捷键 F12），我们可以看到：

   test_websocket.html:19 Connected to websocket server.

   • ROS 主机的 log 打印：

   [INFO] [1562100304.196110]: Client connected. 1 clients total.
   [INFO] [1562101304.196110]: Client disconnected. 0 clients total.

2.4.2 订阅一个主题

1. 下一步，我们将订阅一个主题，接受字符串信息并将其显示在浏览器窗口中。我们将把代码放在 HTML 脚本中，代码如下：

   <script type="text/javascript" type="text/javascript">
       var test_topic = new ROSLIB.Topic({
         ros: ros,
         name: '/test_topic',
         messageType: 'std_msgs/String'
       });
   
       test_topic.subscribe(function (data) {
         document.getElementById("msg").innerHTML = data.data;
       });
   </script>

   这段代码声明了一个名为 test_topic_listener 的 ROSLIB.Topic 对象，该对象将监听 /test_topic主题上的消息，并接受 std_msgs/String 类型的消息。然后，我们创建一个事件监听器（test_topic.subscribe()），它将调用一个匿名函数，将 "msg" 的 <span> 元素的内部 HTML 更改为消息的数据字段。

   要测试这段代码，请按以下步骤操作：

   • ROS 主机的 log 打印：

     [INFO] [1762100304.196110]: Client connected. 1 clients total.
     [INFO] [1762142345.496110]: [Client 2] Subscribed to /test_topic

     思考 ❓：

     在这里我们看到，[Client 2] 表现出 ROSBridge_server 应该存在一个数据结构来维护连接的 Client，而且刷新后数字会自增。那么通过用户的不断刷新，当这个数据结构的资源枯竭时，ROSBridge_server 的策略是什么？会直接退出？还是报错？或者会自动清除失效的连接（Session？）？

   • 在 ROS 主机上打开一个终端，输入：

     # 向 /test_topic 话题发送1次内容为 'Hello from Master Node!' 的 std_msgs/String 消息
     rostopic pub /test_topic std_msgs/String -1 -- 'Hello from Master Node!'

   • 观察 HTML 页面，信息应出现在我们为此创建的 <span> 字段中：

     Connection status: Connected
     Last /test_topic received: Hello from Master Node!

2.4.3 发布一个话题

1. 与订阅主题的做法类似，我们依然使用 test_topic 的ROSLIB.Topic 对象，该对象将在/test_topic 主题上发布 std_msgs/String 消息。然后，我们创建一个按钮（button），通过点击按钮来触发名为 test_publish() 的函数，通过 test_topic 对象发布该消息。

   <script type="text/javascript" type="text/javascript">
       var test_topic = new ROSLIB.Topic({
         ros: ros,
         name: '/test_topic',
         messageType: 'std_msgs/String'
       });
   
       function test_publish(){
         var msg = new ROSLIB.Message({
           data: 'Hello from JS!'
         });
         test_topic.publish(msg)
       }
   </script>
   
   <body>
     <button class="button" onclick="test_publish()">Publish</button>
   </body>

附录3. 关于 Linux 系统外接设备固定端口号的问题

1. USB 及串口设备

参考文件：

• LINUX下 Udev详解

---

在开发 ROS 机器人的过程中经常需要会遇到的多个设备的接驳，但是在 Linux 系统中对于外部设备端口号的分配和上电顺序相关，所以系统每次读取到的设备端口号都不同。如果是开机启动或者接在同一 HUB 下面，则由系统枚举各 USB 设备的顺序相关。以下介绍通过 udev 工具实现为 USB 转串口设备固定串口名称的实现原理与方法，该方法也适用于其他 USB 设备驱动。`

为了使启动脚本顺利的运行，我们需要将这些端口号固定下来。

udev 运行在用户态，脱离驱动层的关联，基于这种设计实现，用户可以通过编写规则来动态删除和修改 /dev下的设备文件，任意命名设备。除了设备重命名外，还拥有修改设备访问权限的功能，可以实现在普通用户模式下操作 /dev 下系统设备，无需root模式下进行。

每当 udevd 收到 uevent 事件时就会去匹配规则，匹配成功后执行规则对应的操作。用户自定义规则放在 /etc/udev/rules.d/ 目录下，以 .rules 为扩展名。这些规则文件的文件名通常是两个数字开头，它表示系统应用该规则的顺序。

规则文件里的规则有一系列的键/值对组成，键/值对之间用逗号分割。每一个键或者是用户匹配键，或者是一个赋值键。匹配键确定规则是否被应用，而赋值键表示分配某值给该键。这些值将影响 udev 创建的设备文件。赋值键可以处理一个多值列表。

***【规则说明】***

1. udev 规则的所有操作符

操作符	含义
==	比较键、值，若等于，则该条件满足
!=	比较键、值，若不等于，则该条件满足
=	对一个键赋值
+=	为一个表示多个条目的键赋值
:=	对一个键赋值，并拒绝之后所有对该键的改动。目的是防止后面的规则文件对该键赋值

2. udev 规则的匹配键

匹配键	含义
ACTION	事件 (uevent) 的行为，例如：add( 添加设备 )、remove( 删除设备 )
KERNEL	内核设备名称，例如：sda，cdrom。
DEVPATH	设备的 devpath 路径
SUBSYSTEM	设备的子系统名称，例如：sda 的子系统为 block
BUS	设备在 devpath 里的总线名称，例如：usb
DRIVER	设备在 devpath 里的设备驱动名称，例如：ide-cdrom
ID	设备在 devpath 里的识别号
SYSFS{filename}	设备的 devpath 路径下，设备的属性文件“filename”里的内容。 例如：SYSFS{model}=="ST936701SS"表示：如果设备的型号为 ST936701SS，则该设备匹配该匹配键
ENV{key}	环境变量。在一条规则中，可以设定最多五条环境变量的匹配键
PROGRAM	调用外部命令
RESULT	外部命令 PROGRAM 的返回结果

3. udev 的重要赋值键

赋值键	含义
NAME	在 /dev下产生的设备文件名。只有第一次对某个设备的 NAME 的赋值行为生效，之后匹配的规则再对该设备的 NAME 赋值行为将被忽略。如果没有任何规则对设备的 NAME 赋值，udev 将使用内核设备名称来产生设备文件。
SYMLINK	为 /dev/ 下的设备文件产生符号链接。由于 udev 只能为某个设备产生一个设备文件，所以为了不覆盖系统默认的 udev 规则所产生的文件，推荐使用符号链接。
OWNER, GROUP, MODE	为设备设定权限
ENV{key}	导入一个环境变量

1. 我们以向系统内接入一个 USB-HUB 连接着两个 USB-CAMERA 为例，我们可以使用 dmesg 命令打印自开机以来的相关信息：

   # 我们可以将 dmesg 打印的信息存入 ~/Desktop/dmesg.txt 文件中
   dmesg > ~/Desktop/dmesg.txt

2. 我们在 ~/Desktop/dmesg.txt 中查找相关的硬件相关的加载信息：

   # USB-HUB 相关信息。经过实测，USB3.0 Hub 在硬件识别时会出现两套设备 usb 1-3 和 usb 2-3
   [ 2248.987744] usb 1-3: new high-speed USB device number 16 using xhci_hcd
   [ 2249.141283] usb 1-3: New USB device found, idVendor=05e3, idProduct=0610, bcdDevice= 6.56
   [ 2249.141304] usb 1-3: New USB device strings: Mfr=1, Product=2, SerialNumber=0
   [ 2249.141312] usb 1-3: Product: USB2.1 Hub
   [ 2249.141319] usb 1-3: Manufacturer: GenesysLogic
   [ 2249.142815] hub 1-3:1.0: USB hub found
   [ 2249.143079] hub 1-3:1.0: 4 ports detected
   [ 2249.267971] usb 2-3: new SuperSpeed USB device number 4 using xhci_hcd
   [ 2249.291145] usb 2-3: New USB device found, idVendor=05e3, idProduct=0626, bcdDevice= 6.56
   [ 2249.291164] usb 2-3: New USB device strings: Mfr=1, Product=2, SerialNumber=0
   [ 2249.291171] usb 2-3: Product: USB3.1 Hub
   [ 2249.291176] usb 2-3: Manufacturer: GenesysLogic
   [ 2249.294201] hub 2-3:1.0: USB hub found
   [ 2249.294522] hub 2-3:1.0: 4 ports detected
   
   # 摄像头 1 相关信息
   [ 2471.254480] usb 1-3.3: new high-speed USB device number 17 using xhci_hcd
   [ 2471.451382] usb 1-3.3: New USB device found, idVendor=05a3, idProduct=9230, bcdDevice= 1.00
   [ 2471.451406] usb 1-3.3: New USB device strings: Mfr=2, Product=1, SerialNumber=0
   [ 2471.451416] usb 1-3.3: Product: USB 2.0 Camera
   [ 2471.451424] usb 1-3.3: Manufacturer: LRCP  V1080P
   [ 2471.458203] usb 1-3.3: Found UVC 1.00 device USB 2.0 Camera (05a3:9230)
   [ 2471.508051] input: USB 2.0 Camera: LRCP  V1080P as /devices/pci0000:00/0000:00:14.0/usb1/1-3/1-3.3/1-3.3:1.0/input/input22
   
   # 摄像头 2 相关信息
   [ 2475.426695] usb 1-3.4: new high-speed USB device number 18 using xhci_hcd
   [ 2475.590900] usb 1-3.4: New USB device found, idVendor=0c45, idProduct=ae11, bcdDevice= 1.00
   [ 2475.590920] usb 1-3.4: New USB device strings: Mfr=2, Product=1, SerialNumber=3
   [ 2475.590929] usb 1-3.4: Product: LRCP  imx291
   [ 2475.590936] usb 1-3.4: Manufacturer: LRCP Technology Co., Ltd.
   [ 2475.590942] usb 1-3.4: SerialNumber: SN0001
   [ 2475.593679] usb 1-3.4: Found UVC 1.00 device LRCP  imx291 (0c45:ae11)
   [ 2475.620419] input: LRCP  imx291: LRCP  imx291 as /devices/pci0000:00/0000:00:14.0/usb1/1-3/1-3.4/1-3.4:1.0/input/input23

3. 在 /etc/udev/rules.d/ 文件夹下创建几个用户自定义规则，以 .rules 为扩展名。

   • 修改 USB-HUB 的相关信息

     sudo vim /etc/udev/rules.d/10-usb-hub.rules    

     # cat /etc/udev/rules.d/10-usb-hub.rules 
     # 修改 USB-HUB 的相关信息
     SUBSYSTEM=="usb", ATTRS{idVendor}=="05e3", ATTRS{idProduct}=="0610", SYMLINK+="usb2_hub" # KERNEL=="1.x"
     SUBSYSTEM=="usb", ATTRS{idVendor}=="05e3", ATTRS{idProduct}=="0626", SYMLINK+="usb3_hub" # KERNEL=="2.x"

   • 修改两个相机的信息

     sudo vim /etc/udev/rules.d/10-usb-cam.rules   

     # cat /etc/udev/rules.d/10-usb-cam.rules 
     # 修改 USB-CAMERA 的相关信息
     KERNEL=="video*", SUBSYSTEM=="video4linux", ATTRS{idVendor}=="05a3", ATTRS{idProduct}=="9230", ATTR{index}=="0", MODE:="0777", SYMLINK+="rgb_cam_wide"
     KERNEL=="video*", SUBSYSTEM=="video4linux", ATTRS{idVendor}=="0c45", ATTRS{idProduct}=="ae11", ATTR{index}=="0", MODE:="0777", SYMLINK+="rgb_cam_1"

     • 如果系统内接入多个相同型号的设备（即 ATTRS{idVendor} 和 ATTRS{idProduct} 都一样）时，可以用接入接口的不同来区分他们：

     KERNELS=="1-[0-9].3", SUBSYSTEM=="video4linux", ATTRS{idVendor}=="0c45", ATTRS{idProduct}=="ae11", ATTR{index}=="0", MODE:="0777", SYMLINK+="rgb_cam_1"
     KERNELS=="1-[0-9].4", SUBSYSTEM=="video4linux", ATTRS{idVendor}=="0c45", ATTRS{idProduct}=="ae11", ATTR{index}=="0", MODE:="0777", SYMLINK+="rgb_cam_2"

4. 重新加载修改过后的规则：

   sudo udevadm control --reload-rules
   sudo udevadm trigger

5. 重启后查看规则是否生效：

   ls -al /dev/usb*_hub
   ls -al /dev/rgb_cam*
   
   udevadm info -n /dev/usb2_hub  

2. 网卡设备

参考文章：

• Linux From Scratch - 第7章 基本系统配置

---

udev 通常会根据系统物理特性分配接口名称。例如，enp2s1。如果你不确定你的接口名称，你可以在系统启动后运行如下命令查看：

ip link

为了使 ROS 启动脚本顺利的运行，我们需要将这些端口号固定下来。创建手动命名规则，比方说，通过MAC地址将接口命名成internet0，dmz0 或 lan0 这样。

为此，请在 /etc/systemd/network/ 中创建 .link 文件，为其中的一个、一些或者说你全部的接口赋予明确的名字或是更妥善的命名规则。示例：

sudo vim /etc/systemd/network/10-ether0.link

[Match]
# 可以使用网卡设备的MAC地址或pci编号用来匹配
MACAddress=<your-network-device-MAC-address>

[Link]
Name=ether0

# 编辑完之后重启网络服务
sudo systemctl restart systemd-networkd

# 重启系统
reboot