這篇會介紹用 Python 寫簡單的 ROS 節點，在之後寫功能更複雜一點的通訊節點還有控制無人機的程式時，就會根據這一篇的結構來延伸和擴充。

建立 ROS 節點

ROS 的節點（Node）是 ROS 通訊網路的基本單位，每一個執行特定功能（如讀取感測器資料、控制馬達轉速等）的程序會被視為一個節點。

一個套件內通常會包含多個節點，ROS 支援一個套件內存在不同的程式語言寫的節點（常見的有 Python、C++），再藉由 ROS 系統串接形成一個完整功能的套件。

一個節點的基本結構

使用 rospy 函式庫，就能用 Python 來編寫 ROS 的節點。

回到上一篇建好的 my_package/src 目錄，在這裡示範建立一個節點 create_node.py，程式內容如下：

#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-

import rospy
import random

def simple_node():
    # 初始化ROS節點
    rospy.init_node('simple_node', anonymous=True)
    
    # 設定頻率，這裡設定為1Hz
    rate = rospy.Rate(1)
    
    # 檢查節點是否被關閉
    while not rospy.is_shutdown():

        # 輸出日誌訊息
        hello_str = f"Hello ROS world {random.randint(1, 10)}"
        rospy.loginfo(hello_str)
        rospy.loginfo("Node is running...")
        
        # 控制循環頻率
        rate.sleep()

if __name__ == '__main__':
    try:
        simple_node()
    # 捕捉程序中斷異常並安全退出
    except rospy.ROSInterruptException: 
        pass

這是一個節點常見的程式結構：

1. 節點初始化（Node Initialization）：

   任何節點開始運作之前都必須先初始化，它會向主節點（Master）註冊自己的名稱，以便日後與其他節點進行通訊。

   rospy.init_node('simple_node', anonymous=True) 這行就是用來初始化這個節點，同時也會設定節點名稱，我先取名為 simple_node。

   在 ROS 系統中，節點的通訊是透過彼此的名稱來找到對方，因此每一個節點都必須是獨一無二的名稱。如果不想費盡心思取名，就可以在初始化時將 anonymous 參數設為 True，那麼 ROS 系統會自動為這個節點名稱後面加上一串隨機生成的數字。

2. 節點操作：

   在這個示範程式中使用了幾個常用的函式：

   • 節點是否被關閉：rospy.is_shutdown() 這個函式是代表當前節點是否被中止。

   • 設定頻率和休眠：rate = rospy.Rate(1) 是設定循環頻率 1 Hz，搭配休眠函式 rate.sleep() 維持程式執行速度輸出訊息。另一種常見的暫停方法是使用 rospy.sleep(time) ，當程式執行到這裡時會強制休眠指定時間。

   • 輸出日誌訊息：rospy.loginfo() 這行將會在終端機輸出訊息。

執行 ROS 節點

在 Day 3 提過主節點（Master）是一種特殊節點，它負責維護一個名稱服務（Name Service）的表格，裡面儲存每一個節點的名字，以便他們找到彼此並建立連結。

假如我們直接執行剛才寫好的 create_node.py ，會得到類似以下的錯誤訊息：

$ python3 create_node.py 
Unable to register with master node [http://localhost:11311]: master may not be running yet. Will keep trying.

這是在說主節點（Master）尚未啟動， ROS 系統無法向主節點註冊節點 simple_node。 因此在啟動任何其他節點之前必須先啟動主節點。

roscore 啟動主節點

啟動主節點的方式是在另一個終端機視窗執行 roscore 指令：

$ roscore

這個指令會啟動一個新的主節點，讓它來負責協調和管理所有節點的通訊。roscore 也會啟動其他核心服務和工具，例如參數伺服器（Parameter server）、 rosout （ 日誌節點） 和 roslaunch （套件啟動工具）。

• 參數伺服器（Parameter server）：

  參數伺服器是 ROS 系統中一個全域的儲存空間，它會儲存全域的配置設定或變數，任一節點都可以讀取或修改這些參數。例如，有一個負責移動機器人的節點和一個負責擷取影像的節點，這兩個節點都需要知道機器人的最大速度，這個「最大速度」參數就可以儲存在參數伺服器中，則不管是哪個節點，都能從同一個地方讀取或更新「最大速度」參數。

• rosout （日誌節點） ：

  rosout 也是一個特殊節點，負責集中處理和記錄 ROS 系統中的日誌訊息。

• roslaunch （套件啟動工具）：

  roslaunch 是用來啟動一個套件中多個節點的工具，套件必須先建立 .launch 檔（XML 格式的啟動檔案），則 roslaunch 就會根據啟動設定來依序啟動特定節點。

此時重新執行 create_node.py ，就可以看到程式開始輸出日誌訊息了：

$ python3 create_node.py 
[INFO] [1724252218.628211]: Hello ROS world 6
[INFO] [1724252218.629642]: Node is running...
[INFO] [1724252219.629879]: Hello ROS world 9
[INFO] [1724252219.633996]: Node is running...
[INFO] [1724252220.629656]: Hello ROS world 10
[INFO] [1724252220.632700]: Node is running...

rosrun 啟動特定節點

我們也可以使用指令 rosrun 從指定的 ROS 套件中執行一個節點，這個方法可以不用特別跑到檔案所在位置來執行檔案（尤其用 C++ 撰寫節點則編譯後執行檔會放在其他地方），並且也不需要指定直譯器（不用再輸入 python3 了）。

格式：

rosrun <package_name> <executable>

Python 撰寫的節點在第一次執行時需要先用 chmod +x 修改權限指令，讓這個檔案成為可執行檔（executable file）。其中chmod（change mode）這個指令可以用於改變檔案或目錄的存取權限。+x 表示給予檔案增加執行（execute）權限。

以前面建立的 create_node.py 為例：

$ chmod +x create_node.py

$ rosrun my_package create_node.py 
[INFO] [1724253103.219538]: Hello ROS world 3
[INFO] [1724253103.221236]: Node is running...
[INFO] [1724253104.220890]: Hello ROS world 4
[INFO] [1724253104.223521]: Node is running...
[INFO] [1724253105.221048]: Hello ROS world 7
[INFO] [1724253105.224848]: Node is running...

注意 rosrun 需要指定套件名稱，因此如果沒有建立套件便無法使用。

現在我們有了第一個 ROS 節點啦！雖然並沒有做太多特別的事情，甚至連機器人的一點邊都沒有碰到，但是沒關係，預計下一篇就會稍微有一點點機器人的內容了。