RosLaunch文件的可視化創(chuàng)建方法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王志成　程勇　潘洪濤　樊玉琦

摘 ?要： 機(jī)器人軟件開(kāi)發(fā)不僅涉及到機(jī)器人硬件架構(gòu)還有相關(guān)的機(jī)器人軟件架構(gòu)，這要求開(kāi)發(fā)人員具備很好的知識(shí)儲(chǔ)備。ROS（Robot Operating System）系統(tǒng)中通常使用RosLaunch文件一次啟動(dòng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)（Node）完成指定任務(wù)，對(duì)于非專(zhuān)業(yè)的人員來(lái)說(shuō)，設(shè)置啟動(dòng)文件十分困難。可視化開(kāi)發(fā)能夠讓開(kāi)發(fā)人員以圖形的方式編輯和設(shè)計(jì)程序的功能和格式，不必再對(duì)著代碼修改。這種方式更加直觀，能很好的降低出錯(cuò)誤幾率。本文設(shè)計(jì)了一種可視化RosLaunch文件創(chuàng)建工具，能夠有助于創(chuàng)建機(jī)器人啟動(dòng)文件，并將已有啟動(dòng)文件映射成圖形直觀展示出來(lái)。在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中創(chuàng)建了Kinova jaco機(jī)械臂的完整啟動(dòng)文件，放在其工作空間下可以正常啟動(dòng)機(jī)器人。本文中的方法可以大大降低機(jī)器人開(kāi)發(fā)難度和門(mén)檻，不熟練的開(kāi)發(fā)人員也可以使用此軟件對(duì)機(jī)器人進(jìn)行簡(jiǎn)單的調(diào)試和開(kāi)發(fā)，從而節(jié)省了機(jī)器人開(kāi)發(fā)人員培養(yǎng)的成本，提高了開(kāi)發(fā)效率。

關(guān)鍵詞：?RosLaunch;可視化編程;機(jī)器人軟件開(kāi)發(fā);Qt Creator

中圖分類(lèi)號(hào)：?TP 311????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?A????DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.02.007

【Abstract】： Robot function development involves not only the robot hardware architecture but also the related robot software architecture， which requires developers to have a good knowledge of the robot system. In the ROS （Robot Operating System） system， the RosLaunch file is usually used to start multiple nodes at a time to complete a specified task. It is very difficult for non-professional personnel to set the startup file. Visual development allows developers to graphically edit and design the functionality and format of a program， which is more intuitive and can reduce the programming errors. This paper designs a tool that can help create robotic startup files and map existing startup files into graphical visualizations. In the verification experiments， the complete startup file of the Kinova jaco robotic arm can be created and placed in its workspace to start the robot normally. The tool designed in this paper can greatly reduce the difficulty of robot development. Unskilled developers can use the tool to debug and develop robots， which saves the cost of robot developers and improves development efficiency.

【Key words】： ROS; Launch files; Visual programming; Robot software development; Qt Creator

0??引言

ROS是一個(gè)用于機(jī)器人編程的軟件框架，集成了大量的工具和庫(kù)。它將硬件抽象描述、管理硬件驅(qū)動(dòng)、規(guī)定了消息的傳遞規(guī)則，很大程度上將機(jī)器人硬件和軟件分割開(kāi)來(lái)，并使得機(jī)器人代碼復(fù)用成為可能[1]。通常一個(gè)ROS功能包（Package）中包括幾個(gè)甚至幾十個(gè)節(jié)點(diǎn)（Node），這些節(jié)點(diǎn)是功能包的最基本組成部分[2]。功能包是ROS軟件中的基本單元，包含ROS節(jié)點(diǎn)、庫(kù)、配置文件等。通常每個(gè)功能包、節(jié)點(diǎn)都單獨(dú)設(shè)計(jì)、編譯，但是在完成某一個(gè)特定的任務(wù)時(shí)，需要多個(gè)功能包組合才能達(dá)到特定目的[3]。比如，在機(jī)器人模擬仿真環(huán)節(jié)中，需要不同的ROS包來(lái)顯示GUI，如圖1所示，執(zhí)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和可視化機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，所有這些都需要節(jié)點(diǎn)并行運(yùn)行并相互通信。

機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，常需要將這些節(jié)點(diǎn)全部啟動(dòng)。這些節(jié)點(diǎn)內(nèi)部都有自己的參數(shù)定義。對(duì)于不同的需求，需要開(kāi)發(fā)人員逐一進(jìn)入到節(jié)點(diǎn)的代碼之中修改節(jié)點(diǎn)參數(shù)。這種軟件開(kāi)發(fā)方式耗時(shí)長(zhǎng)，且容易出錯(cuò)。為此，ROS提供了.XML格式的文件——?RosLaunch文件，將所有需要的節(jié)點(diǎn)一次性啟動(dòng)起來(lái)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的參數(shù)可以在RosLaunch文件中直接進(jìn)行設(shè)置[4]。但是RosLaunch文件的編寫(xiě)對(duì)于不熟練的開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)也十分具有挑戰(zhàn)性，并且也有一定的調(diào)試難度。

為此，本文采用Qt[5]可視化框架以及C++和Python語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)了一款機(jī)器人啟動(dòng)文件的可視化創(chuàng)建、編輯的軟件——Launch Creator，以降低RosLaunch文件創(chuàng)建的復(fù)雜度。

2.4??軟件實(shí)現(xiàn)流程設(shè)計(jì)

本文采用自頂向下的方法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)Launch

Creator軟件，主要步驟如下：

（1）設(shè)計(jì)主界面窗口及其相關(guān)配置，如控件大小、窗口大小、標(biāo)題等;

（2）在主界面中添加Launch文件子元素控件按鈕，并添加啟動(dòng)Launch文件的按鈕和映射Launch文件的按鈕：View Graph;

（3）為主界面中添加的所有子元素按鈕創(chuàng)建單獨(dú)的子界面，并使用Qlayout類(lèi)對(duì)子界面經(jīng)行布局管理，設(shè)計(jì)控件的大小和位置。

（4）為L(zhǎng)aunch Creator軟件添加菜單的選項(xiàng)功能，主要包括文件的打開(kāi)、保存、打印、推出等功能。

如圖9展示了系統(tǒng)主框架具體實(shí)現(xiàn)流程。

Launch Creator軟件主界面包括了控件的UI設(shè)計(jì)，主要包括各控件的位置、窗口大小、位置和標(biāo)題等信息。子元素模塊大致分為兩類(lèi)，一是RosLaunch文件中的關(guān)鍵字元素（標(biāo)記），比如：Node、Include、Group等;另一類(lèi)是View Graph子模塊，此模塊可以將輸入的RosLaunch文件映射成樹(shù)型啟動(dòng)圖形，并反饋給用戶(hù)。菜單功能為軟件添加了基本菜單功能，比如文件的打開(kāi)、保存、打印等操作。文本顯示窗口使用TextEdit控件，添加了代碼顯示區(qū)域，方便用戶(hù)在子界面關(guān)閉后，能夠在主界面中看到已編輯的代碼。用戶(hù)也可以在TextEdit控件中直接修改代碼。

3 ?實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)采用Kinova Jaco機(jī)械臂啟動(dòng)文件——?Kinova bringup.launch作為驗(yàn)證對(duì)象。如圖10所示，此界面是配置Group中remap子元素的參數(shù)，等效于語(yǔ)句“”。

當(dāng)所有參數(shù)配置結(jié)束，返回主界面。在主界面右側(cè)TextEdit區(qū)域中可以再次修改文件內(nèi)容，不必再進(jìn)入子元素界面中修改，這是為了保證軟件的代碼易修改性。

啟動(dòng)文件保存后點(diǎn)擊“View Graph”按鈕，調(diào)用此子模塊將已保存的文件映射為圖型，并反饋給用戶(hù)，如圖11。圖中可以看到，啟動(dòng)文件名為“kinova_robot.launch”，其中有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別是“kinova_driver”和“robot_state_publisher”。j2n6s300為實(shí)驗(yàn)使用的機(jī)械臂型號(hào)，根據(jù)不同型號(hào)機(jī)械臂，節(jié)點(diǎn)的前綴會(huì)相應(yīng)變化。

4??結(jié)論和未來(lái)工作

本文提出并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)可視化編程軟件，有助于ROS啟動(dòng)文件的可視化創(chuàng)建，它將機(jī)器人的編程模塊化。當(dāng)啟動(dòng)文件生成，樹(shù)型啟動(dòng)文件會(huì)以圖片形式保存。開(kāi)發(fā)人員了解啟動(dòng)文件內(nèi)容可以直接查看Launch Creator生成的樹(shù)型節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)文件圖，不需要再打開(kāi)軟件，一定程度上提高了機(jī)器人調(diào)試的靈活性和開(kāi)發(fā)效率。經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，該軟件驗(yàn)證了本文的設(shè)計(jì)和其實(shí)用性。該軟件將會(huì)集成到機(jī)器人開(kāi)發(fā)軟件和機(jī)器人控制軟件環(huán)境中，成為機(jī)器人開(kāi)發(fā)的有力工具。

該方法在ROS系統(tǒng)中創(chuàng)建機(jī)器人啟動(dòng)文件過(guò)程易于接受且使用方便，但是一些功能在未來(lái)可以進(jìn)一步改進(jìn)。例如：增加一個(gè)畫(huà)布元素，用圖形樣式實(shí)時(shí)顯示已添加的元素，方便用戶(hù)在創(chuàng)建啟動(dòng)文件的過(guò)程中理解當(dāng)前的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步降低機(jī)器人開(kāi)發(fā)門(mén)檻。另一方面，將界面制作的更加通用，使得它們可以適用于其他文件的創(chuàng)建及修改。

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