ROS与Matlab语言入门教程-开始在Simulink中使用ROS

Simulink支持机器人操作系统（ROS），使得用户可用Simulink创建模型在ROS网络中使用。ROS是一个通信布局，允许机器人系统的不同部分以消息的形式交换信息。一个组件通过发布消息到一个话题，例如“/odometry”，其它组件通过订阅该话题接收。

Simulink支持ROS包括Simulink库用于发送和接收指定话题的消息，当用户仿真模型时，Simulink连接到ROS网络，该网络可以运行在Simulink上的机器人，也可以是远程的系统。一旦建立连接，Simulink一直与ROS网络交换消息直到仿真结束。如果安装了嵌入式代码，用户还可以从Simulink模型为单独的ROS组件或者节点生成C++代码。

本例中，用户将学习：

设置ROS网络；

创建和运行Simulink模型以发送和接收ROS消息；

在ROS消息中使用消息。

预备知识

如果用户对Simulink或者ROS陌生，建议复习如下内容：

Create a Simple Model；

1.2 开始使用ROS.

模型

用户将会使用Simulink发布机器人的（x,y）位置坐标，还会订阅相同的定位话题并显示接收到的（x,y）坐标。你将在本例程创建的模型如下图所示。

初始化ROS

每一个ROS网络都有一个ROS主控节点，用于协调ROS网络中的所有部分，在本例程，用户将会使用MATLAB在本地系统创建ROS主控节点。Simulink将会自动检测并使用本地主控节点，在MATLAB命令行，执行如下代码：

rosinit

任务1-创建发布器

本任务中，用户将配置一个块以发送“geometry_msgs/Point”消息到“/location”话题。（“/”是标准的ROS语法）。

从MATLAB的工具栏，选择“HOME > New > Simulink Model”以打开一个新的Simulink模型。
从模型窗口选择“View > Library Browser”以打开Simulink库浏览器，点击“Robotics System Toolbox”选项卡（用户还可以在MATLAB的命令行窗口输入“robotlib”）。

拖放一个“Publish”块到模型中并双击以配置话题和消息的类型。

在“Topic source”域选择“Specify your own”，在“Topic”域输入“/location”。

在“Message Type”域的右侧，点击“Select...”，将弹出一个窗口，选择“geometry_msgs/Point”并点击“OK”以关闭弹出的窗口。

任务2-创建ROS消息

本任务中，用户将会创建一个空白的ROS消息，输入（x,y）位置数据给机器人路径，更新ROS消息到ROS网络。

ROS消息在Simulink中被表述为“bus signal”，总线信号是Simulink信号的捆绑，可以包含其它总线信号（参阅Simulink的“busdemo”例程获得综述）。ROS“Blank Message”块输出一个与ROS消息有关的Simulink总线消息。

点击Simulink库浏览器的“Robotics System Toolbox”选项卡，或者在MATLAB命令行输入“robotlib”。

拖放一个“Blank Message”块到模型中并双击打开。点击“Message type”域旁边的“Select…”并从弹出的查询窗口中选择“geometry_msgs/Point”，最后点击“OK”。

从库浏览器的选择“Simulink > Signal Routing”选项卡，拖放一个“Bus Assignment”块。连接“Blank Message”块的输出端口到“Bus Assignment”块的输入端口，连接“Bus Assignment”块的输出端口到“ROS Publish”块的输入端口，如下图所示。

双击“Bus Assignment”块，用户将会在左侧的列表中看到X,Y,Z（组成“geometry_msgs/Point”消息的信号）。从右侧列表选择“??? signal1”并点击“Remove”，从左侧列表选择X和Y并点击“Select>>”，最后点击“OK”。

注意：如果用户在左侧的列表中看不到X,Y和Z，关闭“Bus Assignment”块掩膜，点击“Simulation > Update Diagram”确保总线信息正确传播。如果用户看到“Selected signal 'signal1' in the Bus Assignment block cannot be found”，说明总线的信息没有被传播。关闭诊断观察器，重复上述步骤。

用户现在可以传播带有机器人位置的总线信号。

从库浏览器的“Simulink > Sources”选项卡，拖放两个“Sine Wave”块到模型中。连接每个“Sine Wave”块的输出端口到“Bus Assignment”块指定的输入端口X和Y。

双击连接到输入端口X的“Sine Wave”块，设置“Phase”参数的值为“-pi/2”并点击“OK”。

用户的发布器看起来如下图所示。

此时，模型被设置好以发布消息到ROS网络，用户可以根据如下步骤验证：

在工具栏，设置仿真停止时间为“inf”。

点击“Play”按钮开始仿真，Simulink为模型创建了一个专用的ROS节点，创建了一个与“Publish”块一致的发布器。

在仿真运行期间，在MATLAB命令窗口输入“rosnode list”，该指令会列出ROS网络中所有可用的节点，应该包含了名称类似“/untitled_81473”的节点。（模型的名称，后缀是随机数以让该名称唯一）。

在仿真运行期间，在MATLAB命令窗口输入“rostopic list”，该指令将列出ROS网络中所有可用的话题，且应该包括“/location”话题。

观察到基本的MATLAB工作弓箭有一个或多个名称以“SLBus”为开头的变量。这些是Simulink创建的临时总线对象且不可修改。然而，安全起见应该从工作空间中清除这些变量，因为当有需要时还会重新创建。

点击“Stop”按钮停止仿真，Simulink删除ROS节点和ROS发布器。通常来说，模型的ROS节点以及相关的发布器和订阅器会在仿真结束的时候自动删除，不需要附加的清除步骤。

任务3-创建订阅器

本任务中，用户将使用Simulink订阅发送到“/location”话题的消息，并从消息中提取（x,y）位置并绘制在XY-面板中。

从库浏览器的“Robotics System Toolbox”选项卡，拖放一个“Subscribe”块到模型中并双击。

为“Topic source”域选择“Specify your own”，并在“Topic”域输入“/location”。

点击“Message type”域右边的“Select...”，从弹出的窗口选择“geometry_msgs/Point”并点击“OK”。“Subscribe”块输出一个Simulink总线信号，因此用户需要从该信号提取出X和Y。

从库浏览器的“Simulink > Signal Routing”选项卡，拖放一个“Bus Selector”块到模型中。

连接“Subscribe”的输出“Msg”到“Bus Selector”块的输入端口。

点击“Simulation > Update Diagram”确定总线信息已经被传播。用户可能得到一个错误“Selected signal 'signal1' in the Bus Selector block 'untitled/Bus Selector' cannot be found in the input bus signal”，该错误是预料中的，且将在下面的步骤中解决。

双击“Bus Selector”，选择右侧列表中的“??? signal1”和“??? Signal2”并点击“Remove”，从左侧列表中选择X和Y信号点击“Select>>”并点击“OK”。

“Subscribe”块在每个时间步进都会输出最新的从话题接收的消息，“IsNew”输出指示在时间步进期间消息是否已经被接收，在当前任务中，不需要“IsNew”输出，因此做如下的操作：

点击库浏览器中的“Simulink > Sinks”选项卡，拖放一个“Terminator”块到模型中。

剩下的步骤配置显示提取的X和Y信号。

从库浏览器中选择“Simulink > Sinks”选项卡，拖放一个“XY Graph”到模型中，连接“Bus Selector”块的输出端口到“XY Graph”块的输入端口。

从库浏览器中选择“Simulink > Sinks”选项卡，拖放一个“Display”到模型中，连接每一个“Bus Selector”块的输出端口到“Display”块。

用户的整体模型看起来如下图所示。

保存模型。

任务4-配置和运行模型

本任务中，用户将配置并运行自己的模型。

点击“Simulation > Model Configuration Parameters”，在“Solver”面板，设置“Type”为“Fixed-step”，“ Fixed-step size”的值为0.01。

设置仿真停止时间为10.0。

点击“Play”按钮开始仿真，一个XY绘图将会出现。

当第一次运行Simulink中的模型，XY绘图可能比上图看起来更抖晃，这是由载入ROS库引入的延迟造成的。只要重新运行几次仿真，绘图将看起来更平滑。

注意，仿真并不是以实际或者真是的时间工作，模型中的块在一个循环中估计，仅仅仿真进程时间，并没有跟踪实际时钟时间（详细信息请参阅Simulation Loop Phase）

任务5-修改模型仅对消息反应

在上面的模型中，“Subscribe”块在每个时间步进输出一个消息（总线信号），如果根本没有接收到消息，会输出空白消息（例如，消息的值为0）。因此，（X,Y）坐标初始化绘制在（0,0）。

在本任务中，用户将会修改模型以使用一个使能的子系统，因此仅当接收到新消息是绘制位置（更多信息，参阅Create an Enabled Subsystem）。简便期间，已经包含了一个预定义的模型（pre-configured model）。

在模型中，点击并拖以选中“Bus Selector”和“XY Graph”块，右键点击选择“Create Subsystem from Selection”。

从库浏览器的“Simulink > Ports & Subsystems”选项卡，拖放一个“Enabled”块到新建的子系统中。（同时选中新建子系统和使能块，出现小提示图标，选择“created enabled subsystem”）

连接“IsNew”块的输出到“Subscribe”块的子系统的使能输入，如下图所示。删除“Terminator”块，注意“IsNew”输出仅当在前一个时间步进中接收到新消息才为真。

保存模型。

点击“Play”按钮开始仿真，用户将会看到XY绘图如下图所示。

使能子系统中的块仅当新的ROS消息被“Subscribe”块接收的时候才执行，因此，初始（0，0）不会在XY绘图中显示。