ROS（Robot OperatingSystem）是開(kāi)源的機(jī)器人系統(tǒng)平臺(tái)。使用這個(gè)之后，機(jī)器人就可以看見(jiàn)東西、測(cè)繪、導(dǎo)航，或是以最新的算法作用于周?chē)沫h(huán)境當(dāng)中。假如想要制造復(fù)雜的機(jī)器人，已經(jīng)準(zhǔn)備好的ROS程序代碼就能派上用場(chǎng)。ROS能在最低限度下運(yùn)用。這可以透過(guò)Raspberry Pi等級(jí)的計(jì)算機(jī)安裝。

做為ROS的入門(mén)篇我們來(lái)看看如何控制伺服機(jī)。伺服機(jī)的缺點(diǎn)是會(huì)盡快遵照指令運(yùn)轉(zhuǎn)，因此頭部常常會(huì)突然活動(dòng)，以至于失去平衡。不過(guò)使用ROS之后，就可以進(jìn)行正弦曲線運(yùn)動(dòng)，讓機(jī)器人保持穩(wěn)定。由于可以在ROS當(dāng)中進(jìn)行這項(xiàng)操作，因此無(wú)須改寫(xiě)控制用的程序代碼。另外，連接伺服機(jī)和ROS的程序代碼，以及伺服機(jī)的硬件都無(wú)須變更。再者，程序代碼還可以任意使用。

ROS很適合用在Ubuntu或Debian上，無(wú)須編譯。建置時(shí)要在Linux機(jī)器上執(zhí)行Ubuntu，使用業(yè)余用伺服機(jī)、Arduino和普通的導(dǎo)線。ROS要在Ubuntu機(jī)器上啟動(dòng)，訊息則透過(guò)USB傳送到Arduino。只要安裝二進(jìn)制的ROS套件，就會(huì)在主控臺(tái)程序（像是gnome-terminal或konsole）追加以下指令，這樣Arduino系統(tǒng)就能辨識(shí)ROS函式庫(kù)。

cd~/sketchbook/libraries

rm-rf ros_lib

rosrunrosserial_arduino make_l ibraries.py 。

Arduino的程序

接下來(lái)要將程序代碼上傳到Arduino當(dāng)中，執(zhí)行低階的伺服機(jī)控制，以便能從Linux機(jī)器操作。這時(shí)要以限制范圍內(nèi)的百分比（0.0～1.0）指定伺服機(jī)的位置。之所以使用百分比而不是寫(xiě)明角度，是因?yàn)锳rduino的程序代碼限制了正確的角度，要避免在指定角度時(shí)發(fā)生沖突。

就如各位所見(jiàn)，使用ROS之后，一般的循環(huán)函數(shù)就會(huì)變得相當(dāng)簡(jiǎn)單。循環(huán)函數(shù)只會(huì)訂閱（subscribe）數(shù)據(jù)，任何Arduino循環(huán)都一樣。設(shè)定時(shí)要將ROS初始化，將各個(gè)ROS訊息訂閱者的訂閱叫出來(lái)。每個(gè)訂閱者會(huì)占據(jù)Arduino的RAM，數(shù)量取決于要用程序代碼做什么，以6個(gè)到12個(gè)為限。

#include

#include

#include

#include

#define SERVOPIN 3

Servo servo;

void servo_cb（ const std_msgs：：Float32& msg ）

{

const float min = 45;

const float range = 90;

float v = msg.data;

if（ v 》 1 ） v = 1;

if（ v 《 0 ） v = 0;

float angle = min + （range * v）;

servo.write（angle）;

}

ros：：Subscriber

ros：：NodeHandle nh;

void setup（）

{

servo.attach（SERVOPIN）;

nh.initNode（）;

nh.subscribe（sub）;

}

void loop（）

{

nh.spinOnce（）;

delay（1）; }

接下來(lái)要設(shè)法透過(guò)Arduino在ROS的世界說(shuō)話。最簡(jiǎn)單的方法是使用機(jī)器人啟動(dòng)檔。雖然以下的檔案內(nèi)容非常簡(jiǎn)單，但是這里要追加啟動(dòng)檔，如此一來(lái)即使是非常復(fù)雜的機(jī)器人，也能用一個(gè)指令啟動(dòng)。

$ cat rosservo.launch

$ roslaunch 。/rosservo.lanch

rostopic指令可以看出ROS訊息傳送到機(jī)器人的哪個(gè)部位。看了下面的程序代碼就會(huì)發(fā)現(xiàn)，「/head/tilt」可以透過(guò)Arduino使用。訊息要使用「rostopic」傳送。-1的選項(xiàng)只會(huì)發(fā)布（publish）訊息一次，通知/head/tilt傳送一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)。

$ rostopic list

/diagnostics

/head/tilt

/rosout

/rosout_agg

$ rostopic pub -1 /head/tiltstd_msgs/Float32 0.4

$ rostopic pub -1 /head/tilt std_msgs/Float320.9

這個(gè)階段當(dāng)中，能夠?qū)⑺邪l(fā)布數(shù)值到ROS的已知方法用在控制伺服機(jī)上。假如從0改成1，伺服機(jī)就會(huì)全速運(yùn)行。這本來(lái)并沒(méi)有問(wèn)題，但實(shí)際上我們想要逐漸加速以達(dá)到全速，然后再逐漸減速，停在目標(biāo)角度上。假如伺服機(jī)驟然運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)器人的動(dòng)作就會(huì)變得僵硬，讓周?chē)娜藝樢惶?/p>

用另一個(gè)節(jié)點(diǎn)平滑運(yùn)動(dòng)

?

Houndbot

?

Terry

Terry和Houndbot都是ROS機(jī)器人，以6061個(gè)鋁合金零件制造而成。項(xiàng)目的目標(biāo)是要盡量讓這些機(jī)器人自主運(yùn)動(dòng)。

以下的Python腳本程序會(huì)監(jiān)聽(tīng)「/head/tilt/smooth」的訊息，朝「/head/tilt」發(fā)布許多訊息，好讓伺服機(jī)轉(zhuǎn)到目標(biāo)角度之前慢慢加速，再慢慢延遲旋轉(zhuǎn)。當(dāng)訊息抵達(dá)「/head/tilt/smooth」時(shí)一定會(huì)呼叫「moveServo_cb」。這個(gè)回調(diào)函式會(huì)從-90到+90度之間每10度產(chǎn)生1個(gè)數(shù)值，追加到角度數(shù)組當(dāng)中?！竤in（）」會(huì)取這個(gè)角度，數(shù)值從-1到+1慢慢增加。該數(shù)值加1之后，范圍就會(huì)變成0到+2，再除以2之后， 0到+1的曲線數(shù)值數(shù)組就完成了。然后再看看m數(shù)組當(dāng)中，每當(dāng)發(fā)布訊息時(shí)，就會(huì)稍微前進(jìn)一點(diǎn)，范圍在r之內(nèi)，直到1*r或是全范圍為止。

#！/usr/bin/env python

from time import sleep

import numpy as np

import rospy

from std_msgs.msg import Float32

currentPosition = 0.5

pub = None

def moveServo_cb（data）：

global currentPosition， pub

targetPosition = data.data

r = targetPosition - currentPosition

angles = np.array（ （range（190）） ［0：：10］） -90

m = （ np.sin（ angles * np.pi/ 180. ） + 1 ）/2

for mi in np.nditer（m）：

pos = currentPosition + mi*r

print “pos： “， pos

pub.publish（pos）

sleep（0.05）

currentPosition = targetPosition

print “pos-e： “， currentPosition

pub.publish（currentPosition）

def listener（）：

global pub

rospy.init_node（‘servoencoder’，anonymous=True）

rospy.Subscriber（‘/head/tilt/smooth’，F(xiàn)loat32， moveServo_cb）

pub = rospy.Publisher（‘/head/tilt’，F(xiàn)loat32， queue_size=10）

rospy.spin（）

if __name__ == ‘__main__’：

listener（）

想要測(cè)試伺服機(jī)順暢的動(dòng)作，就要啟動(dòng)Python腳本，將訊息發(fā)布到「/head/tilt/smooth」，這樣一來(lái)即可檢視順暢的動(dòng)作。

$ 。/servoencoder.py

$ rostopic pub -1 /head/tilt/smoothstd_msgs/Float32 1

$ rostopic pub -1 /head/tilt/smoothstd_msgs/Float32 0

ROS當(dāng)中的名稱(chēng)也可以重新測(cè)繪。只要將「/head/tilt/smooth」重新測(cè)繪為「/head/tilt」，程序就能向伺服機(jī)發(fā)出命令，而不會(huì)意識(shí)到正弦曲線的數(shù)值在變化。

迎向未來(lái)

雖然這里只說(shuō)明了簡(jiǎn)單的伺服機(jī)控制，ROS卻有更多功能。假如想要知道妨礙機(jī)器人的東西是什么，不妨使用已經(jīng)支持ROS的Kinect。就算導(dǎo)航堆棧使用這項(xiàng)數(shù)據(jù)測(cè)繪，也可以饋送簡(jiǎn)短的Python腳本，讓伺服機(jī)動(dòng)起來(lái)，命令機(jī)器人追蹤附近的物體。沒(méi)錯(cuò)，眼睛真的會(huì)追逐物體。

Terry是室內(nèi)用機(jī)器人，搭載2個(gè)Kinect。一個(gè)專(zhuān)門(mén)用來(lái)導(dǎo)航，另一個(gè)則用于深度測(cè)繪。Terry使用6個(gè)Arduinos，能夠從用了ROS的網(wǎng)絡(luò)接口或PS3遙控器直接操作。

Houndbot是設(shè)計(jì)成要在戶外使用。里頭有遙控器、GPS、羅盤(pán)和ROS耳形控制器。后續(xù)計(jì)劃要搭載導(dǎo)航用的PS4雙鏡頭攝影機(jī)，因?yàn)镵inect不能在陽(yáng)光下使用。這臺(tái)機(jī)器人重量為20公斤。還可以追加了懸吊系統(tǒng)，為此需要自行制造鋁合金客制化零件。