ROS（Robot OperatingSystem）是开源的机器人系统平台。使用这个之后，机器人就可以看见东西、测绘、导航，或是以最新的算法作用于周围的环境当中。假如想要制造复杂的机器人，已经准备好的ROS程序代码就能派上用场。ROS能在最低限度下运用。这可以透过Raspberry Pi等级的计算机安装。
做为ROS的入门篇我们来看看如何控制伺服机。伺服机的缺点是会尽快遵照指令运转，因此头部常常会突然活动，以至于失去平衡。不过使用ROS之后，就可以进行正弦曲线运动，让机器人保持稳定。由于可以在ROS当中进行这项操作，因此无须改写控制用的程序代码。另外，连接伺服机和ROS的程序代码，以及伺服机的硬件都无须变更。再者，程序代码还可以任意使用。
ROS很适合用在Ubuntu或Debian上，无须编译。建置时要在Linux机器上执行Ubuntu，使用业余用伺服机、Arduino和普通的导线。ROS要在Ubuntu机器上启动，讯息则透过USB传送到Arduino。只要安装二进制的ROS套件，就会在主控台程序（像是gnome-terminal或konsole）追加以下指令，这样Arduino系统就能辨识ROS函式库。
cd~/sketchbook/libraries
rm-rf ros_lib
rosrunrosserial_arduino make_l ibraries.py .
Arduino的程序
接下来要将程序代码上传到Arduino当中，执行低阶的伺服机控制，以便能从Linux机器操作。这时要以限制范围内的百分比（0.0～1.0）指定伺服机的位置。之所以使用百分比而不是写明角度，是因为Arduino的程序代码限制了正确的角度，要避免在指定角度时发生冲突。
就如各位所见，使用ROS之后，一般的循环函数就会变得相当简单。循环函数只会订阅（subscribe）数据，任何Arduino循环都一样。设定时要将ROS初始化，将各个ROS讯息订阅者的订阅叫出来。每个订阅者会占据Arduino的RAM，数量取决于要用程序代码做什么，以6个到12个为限。
#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); }
接下来要设法透过Arduino在ROS的世界说话。最简单的方法是使用机器人启动档。虽然以下的档案内容非常简单，但是这里要追加启动档，如此一来即使是非常复杂的机器人，也能用一个指令启动。
$ cat rosservo.launch
$ roslaunch ./rosservo.lanch
rostopic指令可以看出ROS讯息传送到机器人的哪个部位。看了下面的程序代码就会发现，「/head/tilt」可以透过Arduino使用。讯息要使用「rostopic」传送。-1的选项只会发布（publish）讯息一次，通知/head/tilt传送一个浮点数。
$ 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
这个阶段当中，能够将所有发布数值到ROS的已知方法用在控制伺服机上。假如从0改成1，伺服机就会全速运行。这本来并没有问题，但实际上我们想要逐渐加速以达到全速，然后再逐渐减速，停在目标角度上。假如伺服机骤然运转，机器人的动作就会变得僵硬，让周围的人吓一跳。
用另一个节点平滑运动
Houndbot
Terry
Terry和Houndbot都是ROS机器人，以6061个铝合金零件制造而成。项目的目标是要尽量让这些机器人自主运动。
以下的Python脚本程序会监听「/head/tilt/smooth」的讯息，朝「/head/tilt」发布许多讯息，好让伺服机转到目标角度之前慢慢加速，再慢慢延迟旋转。当讯息抵达「/head/tilt/smooth」时一定会呼叫「moveServo_cb」。这个回调函式会从-90到+90度之间每10度产生1个数值，追加到角度数组当中。「sin()」会取这个角度，数值从-1到+1慢慢增加。该数值加1之后，范围就会变成0到+2，再除以2之后， 0到+1的曲线数值数组就完成了。然后再看看m数组当中，每当发布讯息时，就会稍微前进一点，范围在r之内，直到1*r或是全范围为止。
#!/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’,Float32, moveServo_cb)
pub = rospy.Publisher(‘/head/tilt’,Float32, queue_size=10)
rospy.spin()
if __name__ == ‘__main__’:
listener()
想要测试伺服机顺畅的动作，就要启动Python脚本，将讯息发布到「/head/tilt/smooth」，这样一来即可检视顺畅的动作。
$ ./servoencoder.py
$ rostopic pub -1 /head/tilt/smoothstd_msgs/Float32 1
$ rostopic pub -1 /head/tilt/smoothstd_msgs/Float32 0
ROS当中的名称也可以重新测绘。只要将「/head/tilt/smooth」重新测绘为「/head/tilt」，程序就能向伺服机发出命令，而不会意识到正弦曲线的数值在变化。
迎向未来
虽然这里只说明了简单的伺服机控制，ROS却有更多功能。假如想要知道妨碍机器人的东西是什么，不妨使用已经支持ROS的Kinect。就算导航堆栈使用这项数据测绘，也可以馈送简短的Python脚本，让伺服机动起来，命令机器人追踪附近的物体。没错，眼睛真的会追逐物体。
Terry是室内用机器人，搭载2个Kinect。一个专门用来导航，另一个则用于深度测绘。Terry使用6个Arduinos，能够从用了ROS的网络接口或PS3遥控器直接操作。
Houndbot是设计成要在户外使用。里头有遥控器、GPS、罗盘和ROS耳形控制器。后续计划要搭载导航用的PS4双镜头摄影机，因为Kinect不能在阳光下使用。这台机器人重量为20公斤。还可以追加了悬吊系统，为此需要自行制造铝合金客制化零件。
作者：Ben Martin
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