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ROS机器人Diego 1#制作（三十八）突破局域网限制，实现互联网范围内控制你的ROS机器人

robot
2020年6月19日
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##1.概述

ROS机器人系统有一个局限就是，所有Robot都必须在一个局域网内，虽然有robot web tools工具集可以实现通过web浏览器控制ROS机器人，但仍然是要求Robot和浏览器必须在同一个局域网内。有许多的应用是需要跨地域，跨网络进行监控机器人的，本文介绍一种突破局域网限制，可以实现互联网范围内通过Web对机器人进行控制。

##2.原理
实现的原理还是使用robot web tools工具集，增加一个中转的服务器，本文中此服务器命名为diegoserver。
###2.1robot web tools基本原理
robot web tools工具集中实现通过web控制机器人的是通过rosbridge，和roslibjs两个包，通过websocket实现（具体如何安装，请搜索网络，这里不做介绍），先来看一下实现的架构

![ROS](/image/post_0_2020-06-04-15-16-57-679265.png "ROS")

robot web tools 提供了一个rosbridge的包，通过topic/service与robot机器人通信，并将相应的topic/service封装成json格式的消息。
roslibjs，是一个java script实现的rosbridge客户端，通过websocket与rosbridge通信，roslibjs负责在web端实现发布消息，订阅消息的基本功能，更上层的js包，有ros2djs,ros3djs,keyboardteleopjs等上层包，可以实现地图，导航，3d，键盘控制等功能，具体功能可以参考官网http://robotwebtools.org/ 网上大部分文章都是翻译官网文章。
###2.2 diegoserver 原理
![ROS](/image/post_0_2020-06-04-15-31-03-793655.png "ROS")
diegoserver实现的原理简单的来说，就是增加了一个中继服务器，服务器部署在互联网上，实现跨局域网的远程控制

diegobridge是一个部署在和robot，rosbridge同一局域网的一段pyton程序，实现rosbridge和diegoserver

##3. cmd_vel的web发布
下面实现一个最基本的cmd_vel消息的web发布过程
###3.1 web端实现
web端实现完全按照roslibjs的规范就可以，只要将ros的连接到diegoserver（也可以是你自己的服务器）即可，具体实现网上有很多参考代码。本文用的是官网的示例代码。如下是js的代码，用到了keyboardteleopjs，可以通过键盘的实现cmd_vel topic的发布

</div>
                        <div id="speed-label"></div>
                        <div id="speed-slider"></div>
                    </div>

###3.2服务器端实现
服务器端采用Flask开发，使用flask-socketio包实现websocket通信，服务器本质上就是对rosbridge包的转发，非常简单，如下是转发代码：

from flask_socketio import send, emit, Namespace
    import random
    import json
    
    class RosBridgeNamespace(Namespace):
    
        def __init__(self, socketio, namespace=None):
            super().__init__(namespace=namespace)
            self.socketio=socketio
        
        def on_connect(self):
            print('############## some ros connect')
            
        def on_disconnect(self):
            print('disconnect')
    
        def send_to_front(self,data):
            self.socketio.emit('data',
                          json.dumps(data),
                          namespace='/rosbridge',broadcast=True)
        
        def send_to_rosbridge(self,data):
            self.socketio.emit('diegoserver',
                          data,
                          namespace='/rosbridge',broadcast=True)
            
        def on_rosbridge(self, data):#response for rosbridge
            self.send_to_front(data)
    
    
        def on_operation(self,data):# response for web client
            print('**************** receive operation message from web roblibjs client')
            self.send_to_rosbridge(data)

###3.3 diegobridge的实现
rosbridge实现使用robot web tools中roslibpy包实现与rosbridge包的通信，通过socketio实现与diegoserver的通信，代码如下：

from __future__ import print_function
    import roslibpy
    import socketio
    import time
    import json
    
    sio = socketio.Client()
    sio.connect('wt://diegoserver:5556', namespaces=['/rosbridge'])
    
    client = roslibpy.Ros(host='localhost', port=9090)
    client.run()
    
    print('my sid is', sio.sid)
    
    host = 'localhost'
    port = 9090
    
    
    class DiegoTalker():
        def __init__(self, topic, topic_type):
            self.topic=topic
            self.topic_type=topic_type
    
        def talk(self,data):
            talker = roslibpy.Topic(client, self.topic, self.topic_type)
            talker.publish(roslibpy.Message(data))
            talker.unadvertise()
    
    class RosbridgeNamespace(socketio.ClientNamespace):
        def on_connect(self):
            pass
    
        def on_disconnect(self):
            pass
    
        def on_diegoserver(self, data):
            print('I received a message from the diego server')    
            if json.loads(data)['topic'] =='/cmd_vel' and json.loads(data)['op']=='publish':
                talker=DiegoTalker('/cmd_vel', 'geometry_msgs/Twist')
                talker.talk(json.loads(data)['msg'])
    
    sio.register_namespace(RosbridgeNamespace('/rosbridge'))
    
实现的原理也很简单，收到diegoserver发布的cmd_vel消息后转发给rosbridge

##4.运行
首先运行rosbridge
`roslaunch rosbridge_server rosbridge_websocket.launch`
接着运行diegobridge
`python3 diegobridge.py`
运行后，即可以看到rosbridge输出信息显示已经有一个client连接
![ROS](/image/post_0_2020-06-04-16-02-63512.png "ROS")
这时候打开diegoserver的控制界面，通过键盘就可以控制
![ROS](/image/post_0_2020-06-04-16-02-63522.png "ROS")
这是我们用rostopic echo /cmd_vel就可以看到从远程web客户端发布的cmd_vel 消息
![ROS](/image/post_0_2020-06-04-16-02-63523.png "ROS")

当然可以发布，也可以订阅，原理相同，下图就是通过这样的方法远程订阅/map，并在web显示的效果
![ROS](/image/post_0_2020-06-04-16-02-63524.png "ROS")

考虑的网络的稳定性，远程控制可能会有实时性的问题，当然这个要看实际的应用场景，要实现一个产品化的应用，应该考虑如下问题：
- 实时性
- ROS的topic是高频率，实时发布的，服务器端应该增加高速缓存机制，
- 安全性，基于互联网的应用，应该充分考虑安全性，如通信过程加密等，这个非常重要，机器人一旦被网络劫持，将有不可预想的后果。
- 带宽问题，如涉及视频，导航的数据带宽需求是非常大的
- 其他...