ROS入门笔记（十二）：动作编程 (C++)

ROS入门笔记（十二）：动作编程 (C++)

[TOC]

01 导读

C++代码必须通过编译生成可执行文件；

python代码是可执行文件，不需要编译；

• 开发的功能包都放在catkin_ws这样一个工作空间里；
• 新建的功能包取名为action_example；

工作模式的结构示意图如下：

什么是动作（action）

• 一种问答通信机制；
• 带有连续反馈；
• 可以在任务过程中止运行；
• 基于ROS的消息机制实现。

通信双方在ROS Action Protocal下进行交流通信是通过接口来实现,如下图:

Action的接口

• goal：发布任务目标；
• cancel：请求取消任务；
• status：通知客户端当前的状态；
• feedback：周期反馈任务运行的监控数据；
• result：向客户端发送任务的执行结果，只发布一次。

我们可以看到,客户端会向服务器发送目标指令和取消动作指令,而服务器则可以给客户端发送实时的状态信息,结果信息,反馈信息等等,从而完成了service没法做到的部分.

02 功能包的创建

在catkin_ws/src/目录下新建功能包action_example，并在创建时显式的指明依赖roscpp和actionlib actionlib_msgs，依赖actionlib actionlib_msgs将作为基本数据类型用于定义我们的服务类型。打开命令行终端，输入命令：

$ cd ~/catkin_ws/src

#创建功能包topic_example时，显式的指明依赖roscpp和std_msgs，
#依赖会被默认写到功能包的CMakeLists.txt和package.xml中
$ catkin_create_pkg action_example roscpp actionlib actionlib_msgs

03 在功能包中创建action（动作）

Action的工作原理是client-server模式，也是一个双向的通信模式。通信双方在ROS Action Protocol下通过消息进行数据的交流通信。client和server为用户提供一个简单的API来请求目标（在客户端）或通过函数调用和回调来执行目标（在服务器端）。

3.1 自定义action

利用动作库进行请求响应，动作的内容格式应包含三个部分，目标、反馈、结果。

在功能包action_example目录下新建action目录，然后在action_example/action/目录中创建DoDishes.action文件

# Define the goal  定义目标信息
uint32 dishwasher_id  # Specify which dishwasher we want to use
---
# Define the result  定义结果信息
uint32 total_dishes_cleaned
---
# Define a feedback message 定义周期反馈的信息
float32 percent_complete

3.2 在package.xml中添加功能包依赖

action文件被转换成为C++，Python和其他语言的源代码：

查看package.xml, 确保它包含以下语句:

*部分ROS版本中的exec_depend需要改成run_depend

<build_depend>actionlib</build_depend>
<build_depend>actionlib_msgs</build_depend>
<exec_depend>actionlib</exec_depend>
<exec_depend>actionlib_msgs</exec_depend>

3.3 在CMakeLists.txt添加编译选项

##1 Find catkin macros and libraries
##1 if COMPONENTS list like find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS xyz)
##1 is used, also find other catkin packages
find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS
  roscpp
  actionlib_msgs 
  actionlib
)


##2 Generate actions in the 'action' folder
add_action_files(
  FILES
  DoDishes.action
)



##3 Generate added messages and services with any dependencies listed here
generate_messages(
  DEPENDENCIES
  actionlib_msgs   
)

04 功能包的源代码编写

在新建的功能包action_example/src目录下新建两个文件action_server.cpp和action_client.cpp，并将下面的代码分别填入。

4.1 编写action_server.cpp

如何实现一个动作服务器：

• 初始化ROS节点；
• 创建动作服务器实例；
• 启动服务器，等待动作请求；
• 在回调函数中完成动作服务功能的处理，并反馈进度信息；
• 动作完成，发送结束信息。

在action_example/src包中创建action_server.cpp文件：

#include <ros/ros.h>
#include <actionlib/server/simple_action_server.h>
#include "action_example/DoDishesAction.h"

typedef actionlib::SimpleActionServer<action_example::DoDishesAction> Server;

// 收到action的goal后调用该回调函数
void execute(const action_example::DoDishesGoalConstPtr& goal, Server* as)
{
    ros::Rate r(1);
    action_example::DoDishesFeedback feedback;

    ROS_INFO("Dishwasher %d is working.", goal->dishwasher_id);

    // 假设洗盘子的进度，并且按照1hz的频率发布进度feedback
    for(int i=1; i<=10; i++)
    {
        feedback.percent_complete = i * 10;
        as->publishFeedback(feedback);
        r.sleep();
    }

    // 当action完成后，向客户端返回结果
    ROS_INFO("Dishwasher %d finish working.", goal->dishwasher_id);
    as->setSucceeded();
}

int main(int argc, char** argv)
{
    ros::init(argc, argv, "do_dishes_server");
    ros::NodeHandle n;

    // 定义一个服务器
    Server server(n, "do_dishes", boost::bind(&execute, _1, &server), false);
    
    // 服务器开始运行
    server.start();

    ros::spin();

    return 0;
}

4.2 编写action_client.cpp

如何实现一个动作客户端：

• 初始化ROS节点；
• 创建动作客户端实例；
• 连接动作服务端；
• 发送动作目标；
• 根据不同类型的服务端反馈处理回调函数。

在action_example/src包中创建action_client.cpp文件，并在其中粘贴以下內容：

#include <actionlib/client/simple_action_client.h>
#include "action_example/DoDishesAction.h"

typedef actionlib::SimpleActionClient<action_example::DoDishesAction> Client;

// 当action完成后会调用该回调函数一次
void doneCb(const actionlib::SimpleClientGoalState& state,
        const action_example::DoDishesResultConstPtr& result)
{
    ROS_INFO("Yay! The dishes are now clean");
    ros::shutdown();
}

// 当action激活后会调用该回调函数一次
void activeCb()
{
    ROS_INFO("Goal just went active");
}

// 收到feedback后调用该回调函数
void feedbackCb(const action_example::DoDishesFeedbackConstPtr& feedback)
{
    ROS_INFO(" percent_complete : %f ", feedback->percent_complete);
}

int main(int argc, char** argv)
{
    ros::init(argc, argv, "do_dishes_client");

    // 定义一个客户端
    Client client("do_dishes", true);

    // 等待服务器端
    ROS_INFO("Waiting for action server to start.");
    client.waitForServer();
    ROS_INFO("Action server started, sending goal.");

    // 创建一个action的goal
    action_example::DoDishesGoal goal;
    goal.dishwasher_id = 1;

    // 发送action的goal给服务器端，并且设置回调函数
    client.sendGoal(goal,  &doneCb, &activeCb, &feedbackCb);

    ros::spin();

    return 0;
}

05 功能包的编译配置（编译节点）

说明：

• C++代码必须通过编译生成可执行文件；
• python代码是可执行文件，不需要编译；

如何编译代码

• 设置需要编译的代码和生成的可执行文件；
• 设置链接库；
• 设置依赖。

创建功能包action_example时，显式的指明依赖roscpp和std_msgs，依赖会被默认写到功能包的CMakeLists.txt和package.xml中。

在 CMakeLists.txt 文件末尾加入几条语句:

add_executable(action_client src/action_client.cpp)
target_link_libraries( action_client ${catkin_LIBRARIES})
add_dependencies(action_client ${${PROJECT_NAME}_EXPORTED_TARGETS})

add_executable(action_server src/action_server.cpp)
target_link_libraries( action_server ${catkin_LIBRARIES})
add_dependencies(action_server ${${PROJECT_NAME}_EXPORTED_TARGETS})

这会生成两个可执行文件, action_client 和 action_server, 默认存储到 devel space 目录下,具体是在~/catkin_ws/devel/lib/<package name> 中.

06 功能包的编译

$ cd ~/catkin_ws
$ catkin_make -DCATKIN_WHITELIST_PACKAGES="action_example"    
$ source ~/catkin_ws/devel/setup.bash   # 刷新环境

07 测试action_server和action_client

7.1 运行action_server

第一步，打开一个命令行终端：

$ roscore

第二步，打开第二个命令行终端：

# 用rosrun <package_name> <node_name>启动功能包中的发布节点。
$ source ~/catkin_ws/devel/setup.bash    # 激活catkin_ws工作空间（必须有，必不可少） 
$ rosrun action_example action_server     

你将看到如下的输出信息:

[ INFO] [1588752334.514526874]: Dishwasher 1 is working.
[ INFO] [1588752344.515033939]: Dishwasher 1 finish working.  # Server节点启动后的日志信息

7.2 运行action_client

打开第三个命令行客户端：

$ source ~/catkin_ws/devel/setup.bash     # 激活catkin_ws工作空间（必须有，必不可少） 
$ rosrun action_example action_client        

你将会看到如下的输出信息:

[ INFO] [1588752334.233231877]: Waiting for action server to start.
[ INFO] [1588752334.513889608]: Action server started, sending goal.
[ INFO] [1588752334.514780017]: Goal just went active
[ INFO] [1588752334.515056866]:  percent_complete : 10.000000 
[ INFO] [1588752335.516336080]:  percent_complete : 20.000000 
[ INFO] [1588752336.516271562]:  percent_complete : 30.000000 
[ INFO] [1588752337.516315111]:  percent_complete : 40.000000 
[ INFO] [1588752338.515751638]:  percent_complete : 50.000000 
[ INFO] [1588752339.515473734]:  percent_complete : 60.000000 
[ INFO] [1588752340.516373053]:  percent_complete : 70.000000 
[ INFO] [1588752341.515448200]:  percent_complete : 80.000000 
[ INFO] [1588752342.515654876]:  percent_complete : 90.000000 
[ INFO] [1588752343.515571413]:  percent_complete : 100.000000 
[ INFO] [1588752344.516076162]: Yay! The dishes are now clean     

现在，你已经成功地运行了你的第一个action_server和action_client程序。

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