（三）工作空间与功能包、Publisher、Subscriber

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本文介绍了ROS工作空间的创建与功能包的建立，包括C++和Python版本的Publisher和Subscriber节点的编程实现。详细讲解了创建工作空间、功能包的步骤，以及编译和设置环境变量的方法。同时，通过Turtlesim模拟器展示了发布者和订阅者的功能，提供了C++和Python两种语言的代码示例。

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一、创建工作空间与功能包

1、工作空间

工作空间（workspace）是一个存放工程开发相关文件的文件夹。

• src：代码空间（Source Space）
• build：编译空间（Build Space）
• devel：开发空间（Development Space）
• install：安装空间（Install Space）

创建工作空间：

$ mkdir -p ~/catkin_ws/src
$ cd ~/catkin_ws/src
$ catkin_init_workspace

编译工作空间：要编译工作空间，先要回到工作空间的根目录。

cd ~/catkin_ws
catkin_make

编译过程可能会出现的报错：

"对于ROS Melodic和早期版本的Python 3用户：注意，如果你从源代码构建ROS来实现Python 3的兼容性，并适当地设置您的系统（即：安装所有必需的ROS Python包的Python 3版本，例如catkin）

解决办法：在首次建立工作区后，在这个干净的catkin工作区中的第一次catkin_make命令

catkin_make -DPYTHON_EXECUTABLE=/usr/bin/python3

然后再次进行编译即可。

可以看到build和devel两个新文件夹，devel存放了编译完成的内容。目前没有生成install文件夹，要生成install文件夹，输入catkin_make install：

install中生成了可执行文件。这样一个空的工作空间创建好了，并且空的代码空间（功能包）编译完成。

2、创建功能包

功能包是放置ROS源码的最小单元。同一个工作空间下，不允许存在同名功能包；不同工作空间下，允许存在同名功能包。

指令格式：catkin_create_pkg <package_name> [depend1] [depend2] [depend3]
<package_name>为包名，[depend]为依赖，即指明编译的时候需要ROS中的其他功能包，如需要调用python、C++库，就要指明rospy、roscpp。

cd ~/catkin_ws/src
catkin_create_pkg test_pkg std_msgs rospy roscpp

3、编译新的功能包

回到工作空间根目录，再编译一下。

cd ~/catkin_ws
catkin_make

4、环境变量

设置环境变量，检查环境变量

source ~/catkin_ws/devel/setup.bash
echo $ROS_PACKAGE_PATH

5、功能包中的两个重要文件

package.xml，使用xml语言描述功能包相关的信息。

CMakeLists.txt，描述功能包里的编译规则，使用CMake语法。

二、发布者Publisher的编程实现

ROS通信模式之一的Topic模式，其使用“发布订阅”的方式来通信。

使用ROS Master管理节点。有两个主要节点：Publisher，名为Turtle Velocity（即海龟的速度）、
Subscriber，即海龟仿真器节点 /turtlesim。

Publisher(Turtle Velocity)，发布Message（即海龟的速度信息，以geometry_msgs::Twist的数据结构，包括线速度和角速度），通过Topic（/turtle1/cmd_vel）总线管道，将数据传输给Subscriber。Subscriber订阅得到的速度信息，来控制海龟发生运动。

“/turtle1/cmd_vel”这个topic是海归仿真器节点/turtlesim下自带的topic，可直接拿来用。

（一）C++版本

1、创建功能包

上面我们已经创建了工作空间，所以现在只需要在src文件夹创建一个新的功能包learning topic。

cd ~/catkin_ws/src
catkin_create_pkg learning_topic roscpp rospy std_msgs geometry_msgs turtlesim

2、创建Publisher代码（C++版本）

如何实现一个发布者：

初始化ROS节点；
向ROS Master注册节点信息，包括发布的话题名和话题中的消息类型；
创建消息数据；
按照一定频率循环发布消息。

需要在src里创建C++的代码文件以输入代码：

/**
 * 该例程将发布turtle1/cmd_vel话题，消息类型geometry_msgs::Twist
 */

#include <ros/ros.h>
#include <geometry_msgs/Twist.h>

int main(int argc, char **argv)
{
        // ROS节点初始化
        ros::init(argc, argv, "velocity_publisher");

        // 创建节点句柄
        ros::NodeHandle n;

        // 创建一个Publisher，发布名为/turtle1/cmd_vel的topic，消息类型为geometry_msgs::Twist，队列长度10
        ros::Publisher turtle_vel_pub = n.advertise<geometry_msgs::Twist>("/turtle1/cmd_vel", 10);

        // 设置循环的频率
        ros::Rate loop_rate(10);

        int count = 0;
        while (ros::ok())
        {
            // 初始化geometry_msgs::Twist类型的消息
                geometry_msgs::Twist vel_msg;
                vel_msg.linear.x = 0.5;
                vel_msg.angular.z = 0.2;

            // 发布消息
                turtle_vel_pub.publish(vel_msg);
                ROS_INFO("Publsh turtle velocity command[%0.2f m/s, %0.2f rad/s]",
                                vel_msg.linear.x, vel_msg.angular.z);

            // 按照循环频率延时
            loop_rate.sleep();
        }

        return 0;
}
~

3、编译代码（C++版本）

配置Publisher代码编译规则。首先需要配置CMakeLists.txt中的编译规则：

将下列代码拷贝至CMakeLists.txt中：

add_executable(velocity_publisher src/velocity_publisher.cpp)
target_link_libraries(velocity_publisher ${catkin_LIBRARIES})

执行编译回到工作空间目录，执行编译：

cd ~/catkin_ws
catkin_make

由于之后每次运行这个程序都需要source一下devel/setup.bash，建议将source devel/setup.bash放入环境变量.bashrc中。可以打开主目录按下Crtl+h 显示隐藏文件，双击打开bashrc文件：

4、运行

分别打开终端运行：

roscore

rosrun turtlesim turtlesim_node

rosrun learning_topic velocity_publisher

海龟就按照我们之前代码中设定的线速度和角速度画圆啦！编译完成的程序velocity_publisher是放在devel/lib/topic目录下的：

（二）Python版本

Python的步骤中，在“配置编译规则”和“编译并执行”与C++版本有所不同。

终端使用python3命令可调用python：

1、创建功能包

在C++版本中已经创建了，无需重复操作。

2、创建Publisher代码（Python版本）

python代码文件是放在功能包文件夹下的scripts目录下的，我们需要新建一个scripts文件夹。

编写代码：

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-
# 该例程将发布turtle1/cmd_vel话题，消息类型geometry_msgs::Twist

import rospy
from geometry_msgs.msg import Twist

def velocity_publisher():
	# ROS节点初始化
    rospy.init_node('velocity_publisher', anonymous=True)

	# 创建一个Publisher，发布名为/turtle1/cmd_vel的topic，消息类型为geometry_msgs::Twist，队列长度10
    turtle_vel_pub = rospy.Publisher('/turtle1/cmd_vel', Twist, queue_size=10)

	#设置循环的频率
    rate = rospy.Rate(10) 

    while not rospy.is_shutdown():
		# 初始化geometry_msgs::Twist类型的消息
        vel_msg = Twist()
        vel_msg.linear.x = 0.5
        vel_msg.angular.z = 0.2

		# 发布消息
        turtle_vel_pub.publish(vel_msg)
    	rospy.loginfo("Publsh turtle velocity command[%0.2f m/s, %0.2f rad/s]", 
				vel_msg.linear.x, vel_msg.angular.z)

		# 按照循环频率延时
        rate.sleep()

if __name__ == '__main__':
    try:
        velocity_publisher()
    except rospy.ROSInterruptException:
        pass

注意：右击文件→属性，打开执行权限

3、编译代码（Python版本）

配置一下CMakeLists.txt（目录：/home/yang/catkin_ws/src/learning_topic)中的编译规则：将文件中的install这段取消注释，并将默认的my_python_script改成velocity_publisher.py

回到工作空间目录，执行编译：

cd ~/catkin_ws
catkin_make

source 一下 setup.bash。（在C++版本中有相关描述）

4、运行

分别打开终端，依次运行：

roscore

rosrun turtlesim turtlesim_node

rosrun learning_topic velocity_publisher.py

如果出现以下报错：

则说明，这一步没有处理。

三、订阅者Subscriber的编程实现

ROS Master管理两个主要节点：Publisher，海龟仿真器/turtlesim、Subscriber，名为Pose Listener。

海龟仿真器turtlesim为Publisher，发布Message（传输的是动作信息，以数据结构 turtlesim::Pose发布），通过Topic（/turtle1/pose）的管道，将数据传输给Subscriber。Subscriber订阅得到的数据，获得Pose信息。

“/turtle1/pose”这个topic是海归仿真器节点/turtlesim下自带的topic，直接拿来用。

如何实现一个订阅者：

初始化ROS节点；
订阅需要的话题；
循环等待话题消息，接收到消息后进入回调函数；
在回调函数中完成消息处理。

创建功能包：上述操作中，已经创建工作空间和功能包learning topic，无需重复操作，后续操作就直接跳过这一步啦～

（一）C++版本

1、创建Subscriber代码（C++版本）

/**
 * 该例程将订阅/turtle1/pose话题，消息类型turtlesim::Pose
 */

#include <ros/ros.h>
#include "turtlesim/Pose.h"

// 接收到订阅的消息后，会进入消息回调函数
void poseCallback(const turtlesim::Pose::ConstPtr& msg)
{
    // 将接收到的消息打印出来
    ROS_INFO("Turtle pose: x:%0.6f, y:%0.6f", msg->x, msg->y);
}

int main(int argc, char **argv)
{
    // 初始化ROS节点
    ros::init(argc, argv, "pose_subscriber");

    // 创建节点句柄
    ros::NodeHandle n;

    // 创建一个Subscriber，订阅名为/turtle1/pose的topic，注册回调函数poseCallback
    ros::Subscriber pose_sub = n.subscribe("/turtle1/pose", 10, poseCallback);

    // 循环等待回调函数
    ros::spin();

    return 0;
}

2、编译（C++版本）

配置代码编译规则，配置CMakeLists.txt中的编译规则：

设置需要编译的代码和生成的可执行文件
设置链接库

将下列代码拷贝至CMakeLists.txt中，直接加到之前Publisher那两行下面即可。

add_executable(person_subscriber src/person_subscriber.cpp)
target_link_libraries(person_subscriber ${catkin_LIBRARIES})
add_dependencies(person_subscriber ${PROJECT_NAME}_generate_messages_cpp)

回到工作空间目录，执行编译：

cd ~/catkin_ws
catkin_make

source devel/setup.bash

3、运行

分别打开终端运行：

roscore

rosrun turtlesim turtlesim_node

rosrun learning_topic pose_subscriber

此刻海龟的位置就会一直被pose_subscriber监听，由于海龟没有行动，所以x、y坐标值是不会有所改变。若要让海龟动起来，再建立一个之前用过的键盘控制节点：

rosrun turtlesim turtle_teleop_key

（二）Python版本

1、创建Subscriber代码（Python版本）

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-
# 该例程将订阅/turtle1/pose话题，消息类型turtlesim::Pose

import rospy
from turtlesim.msg import Pose

def poseCallback(msg):
    rospy.loginfo("Turtle pose: x:%0.6f, y:%0.6f", msg.x, msg.y)

def pose_subscriber():
	# ROS节点初始化
    rospy.init_node('pose_subscriber', anonymous=True)

	# 创建一个Subscriber，订阅名为/turtle1/pose的topic，注册回调函数poseCallback
    rospy.Subscriber("/turtle1/pose", Pose, poseCallback)

	# 循环等待回调函数
    rospy.spin()

if __name__ == '__main__':
    pose_subscriber()

右击文件→属性，打开执行权限。

2、编译（Python版本）

配置一下CMakeLists.txt中的编译规则：
之前已将文件中的install这段取消注释，并将默认的my_python_script改成了velocity_publisher.py。所以只需要再加上一个关于pose_subscriber.py的install方法：

回到工作空间目录，执行编译：

cd ~/catkin_ws
catkin_make

source 一下 setup.bash。

source devel/setup.bash

3、运行

分别打开终端运行：

roscore

rosrun turtlesim turtlesim_node

rosrun learning_topic pose_subscriber.py

rosrun turtlesim turtle_teleop_key

我们可以查看系统当前计算图：

rqt_graph

调到所有活动active节点/话题视图，可看到3个节点：键盘控制器节点/teleop_turtle 通过 /turtle/cmd_vel 传速度msg给海归仿真器节点/turtlesim，/turtlesim 通过 /turtle/pose 传位置msg给subscriber节点。

/turtle/cmd_vel 和 /turtle/pose 两个topic都在turtle1海龟下面，因为海龟自身会发布速度和位置的msg给这两个topic。

（三）工作空间与功能包、Publisher、Subscriber

一、创建工作空间与功能包

1、工作空间

2、创建功能包

3、编译新的功能包

4、 环境变量

5、功能包中的两个重要文件

二、发布者Publisher的编程实现

（一）C++版本

1、创建功能包

2、创建Publisher代码（C++版本）

3、编译代码（C++版本）

4、运行

（二）Python版本

1、创建功能包

2、创建Publisher代码（Python版本）

3、编译代码（Python版本）

4、运行

三、订阅者Subscriber的编程实现

（一）C++版本

1、创建Subscriber代码（C++版本）

2、编译（C++版本）

3、运行

（二）Python版本

1、创建Subscriber代码（Python版本）

2、编译（Python版本）

3、运行

4、环境变量