Day6 - ROS2 Node Python

15th鐵人賽 ros2 ros ros2 porting

leochien1110

2023-09-18 14:02:17

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這是ROS2最重要的一章，因為ROS2的Node是最基本的單位，也是ROS2的核心，所以這邊會花比較多的篇幅來介紹。一樣會拆成C++和Python兩個部分來介紹，並且會比較ROS和ROS2的差異。鑑於上次的經驗，C++的篇幅和Python會差很多，所以這邊會先介紹Node和Python範例，C++的範例改到下一篇再介紹，讓篇幅比較平均。

介紹

之前在Workspace中有提到，Node是ROS中最小單位。一個Package可以有多個Node，用來執行不同的操作。每個Node都可以跟別的Node透過Topic、Service、Action、Parameter等方式溝通來取得資訊或是執行動作。

Node其實就是一般的可執行檔，可以是C++ Compiler出來的binary，也可以是Python的script，所以在語言的使用上是比較彈性的。舉例來說，可以用C++寫相機的driver node，然後用Python寫影像辨識的node，最後再用C++寫顯示影像的node，這樣就可以達到C++和Python混用的效果，只要訊息的格式是一樣的，Node之間就可以互相溝通。

這裡引用官方的動畫來說明Node的概念：
Node

舉例來說，有一個叫做image_process的package，他的底下會有幾個可能的Node：

image_publisher：負責讀取影像並且publish到影像的Topic。
image_resizer: 負責訂閱影像的Topic，並且將影像縮放後publish到新的影像的Topic。
image_subscriber：負責訂閱影像的Topic，並且將影像顯示出來。

整個流程會長這樣：

Video Source -> image_publisher -> /image -> image_resizer -> /image_resized -> image_subscriber -> Display

Annotation:

Node
/Topic

特色

這樣的設計有幾個特色：

可擴充性：Node之間透過Topic、Service、Action、Parameter等方式溝通，只要訊息的格式是一樣的，Node之間就可以互相溝通，所以可以很容易在不增加複雜度的前提下增加新的功能。
語言彈性：Node可以是C++ 的binary，也可以是Python的script，所以在語言的使用上是比較彈性的。
獨立性：Node之間是獨立的，所以可以很容易的將Node拿出來單獨測試。同時也增加的容錯率，如果其中一個Node掛掉，其他Node不會受到影響，頂多就是少了一個功能。另外也可以單獨監測每個Node的狀態，方便除錯。

Python Node

Python的API從ROS的rospy改成ROS2的rclpy，所以在import的時候要注意。這邊先來簡單的創一個Package和Hello World的Node。

創建Package

cd ~/ros2_ws/src
ros2 pkg create --build-type ament_python --node-name hello_world beginner_tutorials_py

這邊--node-name可以用來創建一個初始的node，並在setup.py內幫你寫好entrypoint，這裡是hello_world_py。

創建完後，會在~/ros2_ws/src底下看到beginner_tutorials_py這個資料夾，裡面會：

beginner_tutorials_py/
├── beginner_tutorials_py
│   │── __init__.py
│   └── hello_world.py
├── package.xml
├── resource
│   └── beginner_tutorials
├── test
│   │── test_copyright.py
│   └── test_flake8.py
│   └── test_pep257.py
├── setup.cfg
└── setup.py

其中beginner_tutorials_py/hello_world.py就是我們的ROS Node。

撰寫 Hello World Node

首先編輯hello_world.py，加上rclpy的import：

import rclpy

def main(args=None):
    rclpy.init(args=args)   # 初始化ROS

    # 創建一個叫做hello_world_py的Node 
    node = rclpy.create_node('hello_world_py')  

    # 用Node的get_logger() function來print出Hello World!
    node.get_logger().info('Hello World!') 

    # 讓Node持續運行
    rclpy.spin(node)

    # 關閉ROS
    rclpy.shutdown()

if __name__ == '__main__':
    main()

接著編輯package.xml，加上rclpy的dependency：
```
...
<exec_depend>rclpy</exec_depend>
...
```

最後檢查一下setup.py，確定entrypoint，讓ros2知道要執行hello_world.py的main function：

...
entry_points={
        'console_scripts': [
            'hello_world_py = beginner_tutorials_py.hello_world:main'
        ],
    },
...

執行

回到Workspace底下，執行：

cd ~/ros2_ws
colcon build --symlink-install --packages-select beginner_tutorials_py

這裡用--symlink-install可以避免每次修改完程式碼後都要重新colcon build，可以直接執行。僅限Python，C++不行。

執行完後記得先source：

source ~/ros2_ws/install/setup.bash

接著就可以執行：

ros2 run beginner_tutorials_py hello_world_py

理論上就可以看到Timestamp + Hello World了！不過我們有加了rclpy.spin(node)，所以他會一直執行，如果要結束的話，可以按Ctrl+C。

持續執行 Hello World Node

也可以讓Node每秒print一次Hello World，只要在hello_world.py加上用loop取代rclpy.spin(node)就可以了：


import rclpy

def main(args=None):
    rclpy.init(args=args)   # 初始化ROS
    
    # 創建一個叫做hello_world_py的Node 
    node = rclpy.create_node('hello_world_py')  
    
    # 用Node的get_logger() function來print出Hello World!
    node.get_logger().info('Hello World!') 

    # 指定rate為1Hz
    rate = node.create_rate(1)

    # 讓Node持續運行直到ROS關閉(Ctrl+C)
    while rclpy.ok():
        node.get_logger().info('Hello World in Loop!')
        
        rclpy.spin_once(node)  # 讓Node執行一次，會等待1/rate秒

    # 關閉ROS
    rclpy.shutdown()

跟ROS不一樣的是，不需要在loop內執行rate.sleep()，只要事先宣告node.create_rate，rclpy.spin_once(node)就會自動等待。

這裡僅展示物件導向的寫法(Python也只有物件導向XD)，指針和callback的寫法在C++的部分會再介紹，重點使用方式會在Topic Demo提到。