ROS专题 · 2024年3月4日 0

ROS 2基础概念#7：动作（Action）| ROS 2学习笔记 

ROS 2 Actions是ROS 2中的一个重要概念，它提供了一种用于执行长时间运行的任务或目标的机制。Actions相当于一种高级的服务，允许节点向其他节点发送一个目标，然后接收有关该目标执行状态的反馈，并最终接收执行结果。在本文中，我们将详细介绍ROS 2 Actions的概念、结构和使用方法。

Action 概述

ROS 2 Actions是ROS 2中用于实现异步、长时间运行任务的机制。相比于ROS 1中的服务（Services）和话题（Topics），Actions更适合处理需要长时间运行、具有中间状态反馈的任务，例如路径规划、导航、抓取等。Actions的设计目标是提供更可靠、更灵活的方式来执行这些任务，并且能够有效地处理中断、取消等情况。

Action 结构

Actions的结构包括三个主要部分：动作（Action）、目标（Goal）和结果（Result）。下面是它们的简要描述：

  • 动作（Action）：定义了一项具体的任务，例如路径规划、抓取等。每个动作动作由一个动作消息定义，其中包含了执行任务所需的所有信息，包括输入、输出和反馈。
  • 目标（Goal）：表示执行某个动作的具体目标，包括任务的期望结果。目标消息通常包含了动作所需的输入参数。
  • 结果（Result）：动作执行完成后返回的结果。结果消息包含了任务执行的状态信息以及可能的输出参数。

Action 与 Service对比

使用方法

使用ROS 2 Actions通常需要以下步骤：

  1. 定义动作消息：首先需要定义动作消息，即描述要执行的任务的消息类型。这通常在.action文件中完成，类似于服务（.srv）和消息（.msg）的定义。
  2. 实现动作服务器：编写一个动作动作服务器节点，用于接收目标并执行相应的任务。这个节点需要实现动作接口，并根据接收到的目标执行任务，发送反馈并最终发布结果。
  3. 编写动作客户端：编写一个动作客户端节点，用于向动作服务器发送目标，并根据接收到的反馈来监控任务的执行状态。客户端可以选择是否等待任务完成，并在任务完成后处理结果。
  4. 启动节点：启动动作服务器和客户端节点，使它们能够相互通信并执行任务。

使用示例

下面是一个简单的示例，演示了如何使用ROS 2 Actions执行一个假想的路径规划任务：

  • 动作消息定义（NavigateToGoal.action）：
plaintextCopy code# 动作消息定义
geometry_msgs/PoseStamped target_pose
---
bool success
  • 动作服务器节点：接收目标并模拟路径规划任务的执行过程。
  • 动作客户端节点：向动作服务器发送目标，然后根据反馈监控任务的执行状态，并在任务完成后获取结果。

Action 命令行工具

准备工作

打开新的 Terminal 并运行如下命令来启动两个 turtlesim 节点： /turtlesim and /teleop_turtle.

ros2 run turtlesim turtlesim_node

打开另一个 Terminal 并运行：

ros2 run turtlesim turtle_teleop_key

当您启动 /teleop_turtle 节点时，您将在终端中看到以下消息：

Use arrow keys to move the turtle.
Use G|B|V|C|D|E|R|T keys to rotate to absolute orientations. 'F' to cancel a rotation.

让我们关注第二行，它对应一个动作。 （第一条指令对应于之前在主题教程中讨论的“cmd_vel”主题。）

请注意，在 QWERTY 键盘上，字母键 G|B|V|C|D|E|R|T 在 F 键周围形成一个“框”。 F 周围每个键的位置对应于turtlesim 中的方向。 例如，E 会将 turtle 的方向旋转到左上角。

注意 /turtlesim 节点运行的终端。 每次您按下这些键之一，您就会将一个目标发送到属于 /turtlesim 节点一部分的操作服务器。 目标是旋转 turtle 以面向特定方向。 一旦 turtle 完成旋转，就会显示一条传达目标结果的消息：

[INFO] [turtlesim]: Rotation goal completed successfully

F 键将取消执行中的目标，展示了操作的可抢占功能。

尝试按 C 键，然后在 turtle 完成旋转前按 F 键。 在 /turtlesim 节点运行的终端中，您将看到以下消息：

[INFO] [turtlesim]: Rotation goal canceled

用户不仅可以在客户端（您在 teleop 中的输入）阻止目标，在服务器端（/turtlesim 节点）也可以。 当服务器端选择停止处理某个目标时，就称为“中止”该目标。

尝试按 D 键，然后在完成第一次旋转前按 G 键。 在 /turtlesim 节点运行的终端中，您将看到以下消息：

[WARN] [turtlesim]: Rotation goal received before a previous goal finished. Aborting previous goal

服务器端因第一个目标被中断而中止。

获得节点动作信息

要查看节点提供的操作列表（在本例中为 /turtlesim），请打开一个新终端并运行以下命令：

ros2 node info /turtlesim

它将返回 /turtlesim 的订阅者、发布者、服务、操作服务器和操作客户端的列表：

/turtlesim
  Subscribers:
    /parameter_events: rcl_interfaces/msg/ParameterEvent
    /turtle1/cmd_vel: geometry_msgs/msg/Twist
  Publishers:
    /parameter_events: rcl_interfaces/msg/ParameterEvent
    /rosout: rcl_interfaces/msg/Log
    /turtle1/color_sensor: turtlesim/msg/Color
    /turtle1/pose: turtlesim/msg/Pose
  Services:
    /clear: std_srvs/srv/Empty
    /kill: turtlesim/srv/Kill
    /reset: std_srvs/srv/Empty
    /spawn: turtlesim/srv/Spawn
    /turtle1/set_pen: turtlesim/srv/SetPen
    /turtle1/teleport_absolute: turtlesim/srv/TeleportAbsolute
    /turtle1/teleport_relative: turtlesim/srv/TeleportRelative
    /turtlesim/describe_parameters: rcl_interfaces/srv/DescribeParameters
    /turtlesim/get_parameter_types: rcl_interfaces/srv/GetParameterTypes
    /turtlesim/get_parameters: rcl_interfaces/srv/GetParameters
    /turtlesim/list_parameters: rcl_interfaces/srv/ListParameters
    /turtlesim/set_parameters: rcl_interfaces/srv/SetParameters
    /turtlesim/set_parameters_atomically: rcl_interfaces/srv/SetParametersAtomically
  Action Servers:
    /turtle1/rotate_absolute: turtlesim/action/RotateAbsolute
  Action Clients:

请注意，/turtlesim 的 /turtle1/rotate_absolute 操作位于动作服务器下。 这意味着 /turtlesim 响应 /turtle1/rotate_absolute 操作并提供反馈。

/teleop_turtle 节点在动作客户端下的名称为 /turtle1/rotate_absolute，这意味着它会发送该动作名称的目标。 要查看这一点，请运行：

ros2 node info /teleop_turtle

将得到如下的返回结果：

/teleop_turtle
  Subscribers:
    /parameter_events: rcl_interfaces/msg/ParameterEvent
  Publishers:
    /parameter_events: rcl_interfaces/msg/ParameterEvent
    /rosout: rcl_interfaces/msg/Log
    /turtle1/cmd_vel: geometry_msgs/msg/Twist
  Services:
    /teleop_turtle/describe_parameters: rcl_interfaces/srv/DescribeParameters
    /teleop_turtle/get_parameter_types: rcl_interfaces/srv/GetParameterTypes
    /teleop_turtle/get_parameters: rcl_interfaces/srv/GetParameters
    /teleop_turtle/list_parameters: rcl_interfaces/srv/ListParameters
    /teleop_turtle/set_parameters: rcl_interfaces/srv/SetParameters
    /teleop_turtle/set_parameters_atomically: rcl_interfaces/srv/SetParametersAtomically
  Action Servers:

  Action Clients:
    /turtle1/rotate_absolute: turtlesim/action/RotateAbsolute

获得动作列表

要识别 ROS 2 graph 中的所有Action，请运行以下命令：

ros2 action list

将得到如下的返回结果：

/turtle1/rotate_absolute

这是目前 ROS graph 中唯一的操作。 正如您之前所见，它控制 turtle 的旋转。 通过使用 ros2 node info 命令，该动作有一个客户端（/teleop_turtle 的一部分）和一个服务器（/turtlesim 的一部分）。

获得动作类型

类似主题和服务，动作也有类型。 要查找 /turtle1/rotate_absolute 的类型，请运行以下命令：

ros2 action list -t

将获得如下的结果：

/turtle1/rotate_absolute [turtlesim/action/RotateAbsolute]

每个动作名称右侧的中括号中（在本例中仅 /turtle1/rotate_absolute）是动作类型，turtlesim/action/RotateAbsolute。 当您想从命令行或代码执行操作时，您将需要它。

获得动作信息

可以使用以下命令进一步获得 /turtle1/rotate_absolute 操作信息：

ros2 action info /turtle1/rotate_absolute

将获得如下的结果：

Action: /turtle1/rotate_absolute
Action clients: 1
    /teleop_turtle
Action servers: 1
    /turtlesim

这告诉我们动作的详细信息：/teleop_turtle 节点有一个动作客户端，/turtlesim 节点有一个动作服务器，它们用于 /turtle1/rotate_absolute 动作。

获得动作接口

在发送或执行某个动作之前，还需要了解该动作的类型和接口数据结构。回想一下，在运行命令 ros2 action list -t 时识别了 /turtle1/rotate_absolute 的类型。 在终端中输入以下带有操作类型的命令：

ros2 interface show turtlesim/action/RotateAbsolute

将获得如下的结果：

# The desired heading in radians
float32 theta
---
# The angular displacement in radians to the starting position
float32 delta
---
# The remaining rotation in radians
float32 remaining

此消息中第一部分（第一个 --- 上方的部分）是目标请求（request）的结构（数据类型和名称）。 第二部分（两个 --- 中间的部分）是结果（result）的结构。 最后一部分（第二个 --- 下方的部分）是反馈（feedback）的结构。

发送目标

使用以下语法从命令行发送动作目标，<value> 为YAML格式：

ros2 action send_goal <action_name> <action_type> <values>

密切关注 turtlesim 窗口，然后在终端中输入以下命令：

ros2 action send_goal /turtle1/rotate_absolute turtlesim/action/RotateAbsolute "{theta: 1.57}"

您应该看到 turtle 在旋转，并在终端中看到以下消息：

Waiting for an action server to become available...
Sending goal:
   theta: 1.57

Goal accepted with ID: f8db8f44410849eaa93d3feb747dd444

Result:
  delta: -1.568000316619873

Goal finished with status: SUCCEEDED

所有目标都有一个唯一的 ID，显示在返回消息中。返回消息中还可以看到结果，一个名为 delta 的字段，它是到起始位置的位移。

要查看此目标的反馈，请将 –feedback 添加到您运行的最后一个命令中。 首先，确保更改 theta 的值。 运行上一个命令后，turtle 的方向已经是 1.57 弧度，因此除非您传递新的 theta，否则它不会移动。

ros2 action send_goal /turtle1/rotate_absolute turtlesim/action/RotateAbsolute "{theta: -1.57}" --feedback

将返回如下的结果：

Sending goal:
   theta: -1.57

Goal accepted with ID: e6092c831f994afda92f0086f220da27

Feedback:
  remaining: -3.1268222332000732

Feedback:
  remaining: -3.1108222007751465

…

Result:
  delta: 3.1200008392333984

Goal finished with status: SUCCEEDED

您将继续收到反馈、剩余的弧度，直到目标完成。

总结

ROS 2 Actions提供了一种强大而灵活的机制来处理长时间运行任务，例如路径规划、导航、抓取等。通过动作、目标和结果的结构，Actions能够有效地处理任务的执行状态反馈，并提供可靠的执行结果。虽然使用Actions可能会增加一些复杂性，但它为ROS 2系统提供了更加健壮和可扩展的任务执行机制。

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