ROS与Matlab语言入门教程-在Simulink中使用ROS消息

ROS消息在Simulink中被表示为总线信号，每一个ROS消息都被映射为Simulink总线中对应的域，具有如下限制：

不支持常量，常量被Simulink总线排除在外；

不支持字符串数组（ROS type string[]），被Simulink总线排斥在外；

64位整型数(ROS types int64 and uint64)在Simulink总线中被转换为双精度，因为Simulink本身不支持64位的整型数据类型；

可变长度数组(ROS type ...[])被转换为固定长度数组且最大长度可定制。默认情况下，原始类型(e.g., uint8[], float32[])的固定长度为128位，嵌入消息数组16位。

字符串（ROS type string）被转换为固定长度的uint8数组，最大长度可定制。

模型

Simulink中使用复杂ROS消息的若干例程，在MATLAB命令行中输入“robotExROSMessageUsageExample”并回车可看到如下图所示。本任务的余下部分，主要焦点是特殊场景。

任务1-访问可变长度数组的数据

ROS消息的数组的长度不能够预先知道。例如，“sensor_msgs/JointState”消息中的“Position”域是一个64位浮点可变长度数组，在任何给定的“sensor_msgs/JointState”消息，“Position”域可能有0个元素也可能具有任意多的元素。在Simulink中，要求这样的数组具有最大长度。

在本任务中，用户将会探索ROS消息中的可变长度数组在Simulink中是如何处理的。

（1）双击图14.1中的“Work with Variable-length Arrays”子系统，如下图所示。，注意，订阅器模块定义为接收发布到“my_joint_topic”话题的“sensor_msgs/JointState”类型。

（2）点击“Simulation > Update Diagram”并双击“Bus Selector”模块，消息中有三个可变长度的数组（Position、Velocity和Effort）。观察到在总线中有一个“Position_SL_Info”域。

“Position_SL_Info.ReceivedLength”保存从ROS消息接收的“Position”数组原始数据的长度，该值可为任意大。

“Position_SL_Info.CurrentLength”保存Simulink总线中“Position”数组长度，该值可为0至数组的最大值（此处128）。

（3）点击“Tools > ROS > Configure Network Addresses”，并设置ROS主控节点和“Node Host”网络地址为默认值；

（4）在MATLAB命令行中输入“rosinit”；

（5）设置仿真停止时间为“inf”，点击“Play”按钮开始仿真；

（6）在MATLAB命令行中执行如下代码：

[pub, msg] = rospublisher('/my_joint_state', 'sensor_msgs/JointState');
msg.Position = [11:2:25]; % array of length 8
send(pub, msg);

在Simulink模型中，观察“Work with Variable-length Arrays”子系统中的显示输出，注意，当前长度和接收长度是相等的。

（7）在MATLAB命令行中执行如下代码：

msg.Position = 1:130; % array of length 130
send(pub, msg);

观察到发出了警告，说明发生了截断。在Simulink模型中，观察到接收长度是130，而当前长度是128。

截断警告在命令行中显示，因为该警告消息以内部交互的形式发送。通常情况下，这些警告信息被发送到“Simulink Diagnostic Viewer”（参阅View Errors and Warnings）。

修改可变长度数组的最大尺寸

本任务中，用户将会改变Simulink中可变长度数组的最大尺寸，正如在任务1中所显示，“sensor_msgs/JointState”消息中的“Position”的默认最大长度是128，用户可以改变该限制为256。

（1）切换到“Work with Variable-length Arrays”子系统中；

（2）点击“Click on Tools > Robot Operating System (ROS) > Manage Array Sizes”；

（3）在左侧列表中点击“sensor_msgs/JointState”，然后不勾选复选框“Use default limits for this message type”，最后在“Position”数组属性对应的行输入新的值（256），点击“OK”关闭对话框。

（4）在Simulink中点击“Play”按钮开始仿真；

（5）复制下面的代码并粘贴到MATLAB命令行，观察到不再出现警告；
msg.Position = 1:200; % array of length 200
send(pub, msg);

（6）复制下面的代码并粘贴到MATLAB命令行，观察到出现警告；
msg.Position = 1:300; % array of length 300
send(pub, msg);

（7）关闭模型，不保存。

注意：

最大尺寸应用到所有“sensor_msgs/JointState”消息类型的实例，例如，如果模型中的其它消息包含“sensor_msgs/JointState”消息，那么更新的256限制也将应用到所有嵌入的实例中。

最大尺寸信息为模型中特有的，并保存在该模型中。用户可以打开两个模型且都有“sensor_msgs/JointState”消息，其中一个使用默认的128位限制，另一个使用用户的256位限制。

应用MATLAB函数模块使用消息

Simulink中的“Bus Assignment”模块不支持分配嵌入总线、分配到总线数组的元素。

例如，“geometry_msgs/Pose message”消息包含“Position”域，该域要求是“geometry_msgs/Point”类型的消息。如果用户拥有一个“geometry_msgs/Point”总线，想要分配到“geometry_msgs/Pose”总线下的“Position”域，在“Bus Assignment”模块中是无法实现的。

（1）在MATLAB命令行中运行“robotExROSMessageUsageExample”指令，选择“Work with Nested Arrays of Messages”子系统，选择“Edit > Copy”；

（2）打开一个新的Simulink模型，选择“Edit > Paste”，保存新模型到一个临时位置，命名为“FunctionTest.slx”；

（3）关闭所有模型，通过输入“clear”指令清除基本工作空间；

（4）打开“FunctionTest.slx”模型，双击“Work with Nested Arrays of Messages”子系统，打开“MATLAB Function - Assign”模块，观察到使用MATLAB符号分配值到嵌套数组中。

（5）函数模块需要明确指定总线输出的数据类型（此处，msg）。首先，通过在MATLAB命令行输入下面的代码，创建模型中需要的所有总线。注意，在MATLAB工作空间中使用“SLBus_”（如果模型名称太长则可能用缩写）命名创建的总线对象。
robotics.ros.createSimulinkBus(gcs)

（6）双击“MATLAB Function - Assign”模块，在MATLAB编辑窗口点击“Edit Data”。在“Ports and Data Manager”中，选择“msg”，下拉列表并设置类型为“SL_Bus_FunctionTest_geometry_msgs_PoseArray”，点击“Apply”并关闭“Ports and Data Manager”。

如果在数据类型下拉列表中看不到“SL_Bus_FunctionTest_geometry_msgs_PoseArray”，则选择“--Refresh data types--”。

（7）点击“Tools > ROS > Configure Network Addresses”，并设置“ROS Master”和“Node Host”的网络地址为“Default”；

（8）在MATLAB命令行中输入“rosinit”；

（9）设置仿真停止时间为1.0，并点击“Play”按钮开始仿真，确认“Display”模块中的数值为pi/2 和 pi/2 + 1。

每次模型重新载入或者工作空间被清除，“robotics.ros.createSimulinkBus(gcs)”必须重新执行一次。为防止这样的问题，可以将该语句包含到模型的回调函数“InitFcn”中（参阅Model Callback Parameters）。