YiXiaoZhou

工具使用-ROS在RVIZ中关于InteractivaMarker的实例（python 版 pong）

发布 : 2019-06-26 浏览 :

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#!/usr/bin/env python
import rospy   # python script必须导入该包
import numpy as np  # python 环境的包，用于数学运算
from visualization_msgs.msg import *  # 一般的消息类型， 包括Marker也属于此包
from interactive_markers.interactive_marker_server import *  # 可交互的消息类型，
# 包括 InteractiveMarker
# InteractiveMarkerServer 这是个构造函数，具体见上一篇blog
# InteractiveMarkerControl
# InteractiveMarkerFeedback
from geometry_msgs.msg import Pose  # 用于修改marker的position

常量定义

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# const 
FIELD_HEIGHT = 8.0   # 游戏桌面的高度
FIELD_WIDTH = 12.0   # 游戏桌面的宽度
BORDER_SIZE = 0.5    # 边缘的宽度
PADDLE_SIZE = 2.0    # Paddle的长度
UPDATE_RATE = 1.0/30 # 刷新频率
PLAYER_X = FIELD_WIDTH * 0.5 + BORDER_SIZE  # 双方paddle的位置
AI_SPEED_LIMIT = 0.25  # ball的初始运动速度

Marker封装

因为该项目中多次创建marker，设置各种属性，代码重复量较大，所以我把marker的创建设置单独提了出来。值得注意的是：C++中pushback操作是进行了copy， 而python中list的append是存储的指针，后面修改了该量，前面已经append的也会发生改变，所以不同的marker在python中需要新创建，而不能像C++那样直接原marker上修改。

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class WrapMarker:
    def __init__(self):
        self.marker = Marker()
    
    def set_color(self, r=1.0, g=1.0, b=1.0, a=1.0): # 设置颜色
        self.marker.color.r = r
        self.marker.color.g = g
        self.marker.color.b = b
        self.marker.color.a = a

    def set_type(self, type_name):  # 设置类型， Marker.CUBE
        self.marker.type = type_name

    def set_scale(self, x=0.0, y=0.0, z=0.0):  # 设置尺度
        self.marker.scale.x = x
        self.marker.scale.y = y
        self.marker.scale.z = z

    def set_position(self, x=0.0, y=0.0, z=0.0): # 设置位置
        self.marker.pose.position.x = x 
        self.marker.pose.position.y = y
        self.marker.pose.position.z = z

    def get_marker(self): # 得到marker实例
        return self.marker

当然， marker还有许多其它的属性可以设置，比如pose的方向等，这里仅定义了能用到的函数。

选手信息

每一个选手都要存储一些自己的状态量，比如当前位置，自己的分数，自己状态，所以定义一个结构体

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class PlayerContext:
    def __init__(self, pos=0, active=False, score=0):
        self.pos=pos
        self.active = active
        self.score = score

游戏主代码

我们先来介绍下游戏主要的部分，也是最顶层的东西，然后再介绍每一块的功能实现。

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class PongGame:
    def __init__(self, ns='pong'):  
        self.server_ = InteractiveMarkerServer(ns)  # 创建一个交互的后台进程，命名空间ns
        self.player_contexts_ = [PlayerContext() for _ in range(2)] # 两名选手 
        # 下面几个量定义球的状态
        self.last_ball_pos_x_ = 0  # 球在上一时刻的位置x  
        self.last_ball_pos_y_ = 0  # 球在上一时刻的位置y
        self.ball_pos_x_ = 0  	   # 球当前的位置x
        self.ball_pos_y_ = 0       # 球当前的位置y
        self.ball_dir_x_ = 0 	   # dir两个量是归一化后的球的运动方向
        self.ball_dir_y_ = 0
        self.speed_ = 0 			# 球的运动速度

        self.makeFieldMarker()     # 初始化运动场地
        self.makePaddleMarkers()   # 初始化选手的paddle
        self.makeBallMarker()      # 初始化球的位置

        self.reset()               # 重置
        self.updateScore()         # 每个选手的分数更新
        rospy.Timer(rospy.Duration(UPDATE_RATE), self.spinOnce)
        # 这是一个时钟循环函数，每隔固定的间隔调用函数spinOnce， 所以刷新频率也是这里设置的

    def spinOnce(self, event):  # 注意这里有两个输入参数， event是TimerEvent类型
        if self.player_contexts_[0].active or self.player_contexts_[1].active:
            ball_dx, ball_dy = self.speed_ * self.ball_dir_x_, self.speed_ * self.ball_dir_y_  # 下一步球的绝对位移
            self.ball_pos_x_ += ball_dx  # 下一步球的位置
            self.ball_pos_y_ += ball_dy
            
            out_border, t = self.reflect(self.ball_pos_y_, self.last_ball_pos_y_, FIELD_HEIGHT*0.5)  # 判断球是否超出范围，超出的话超出了多少，这个t就是超出比例，用于reflect时退回超出部分
            if out_border:# 超出范围
                self.ball_pos_x_ -= t * ball_dx # 退回
                self.ball_pos_y_ -= t * ball_dy
                self.ball_dir_y_ *= -1.0  # 这部分判断是超出y方向的边界，所以换方向应该是y分量取反
                ball_dx, ball_dy = self.speed_ * self.ball_dir_x_, self.speed_*self.ball_dir_y_  # 重新计算x，y轴运动量
                self.ball_pos_x_ += t * ball_dx  # 新的位置
                self.ball_pos_y_ += t * ball_dy

            player = 1 if self.ball_pos_x_ > 0 else 0 # 判断当前球在哪一侧，右边运动员为1
            # reflect on paddles
            if abs(self.last_ball_pos_x_) < FIELD_WIDTH * 0.5 and abs(self.ball_pos_x_) >= FIELD_WIDTH * 0.5:  # 上一时刻在paddle的内测，当前时刻在paddle的外侧，这时候需要判断是否打在paddle上
                if self.ball_pos_y_ > self.player_contexts_[player].pos - (PADDLE_SIZE + BORDER_SIZE) *0.5 and \
                    self.ball_pos_y_ < self.player_contexts_[player].pos + (PADDLE_SIZE + BORDER_SIZE)*0.5:  # 在paddle区间上，认为打在paddle上，进行反弹，反弹和打到上下边缘一样
                    _, t = self.reflect(self.ball_pos_x_, self.last_ball_pos_x_, FIELD_WIDTH*0.5)
                    self.ball_pos_x_ -= t* ball_dx
                    self.ball_pos_y_ -= t* ball_dy
                    # change direction based on distance to paddle center， 一定规律修改反射方向
                    offset = (self.ball_pos_y_ - self.player_contexts_[player].pos)/PADDLE_SIZE
                    self.ball_dir_x_ *= -1.0
                    self.ball_dir_y_ += offset * 2.0
                    self.normalizeVel()  # 速度归一化
                    if abs(self.ball_dir_y_) > np.sqrt(2)/2.0:
                        # 处理速度异常，如果速度过大，就重置45度角
                        self.ball_dir_x_ = 1.0 if self.ball_dir_x_ > 0 else -1.0
                        self.ball_dir_y_ = 1.0 if self.ball_dir_y_ > 0 else -1.0
                        self.normalizeVel()
                    ball_dx, ball_dy = self.speed_*self.ball_dir_x_, self.speed_*self.ball_dir_y_
                    self.ball_pos_x_ += t * ball_dx
                    self.ball_pos_y_ += t * ball_dy
            # not hit the paddles， 球没有被paddle接到，这个时候认为一个回合结束
            if abs(self.ball_pos_x_) >= FIELD_WIDTH*0.5 + 1.5 * BORDER_SIZE:
                _, t = self.reflect(self.ball_pos_x_, self.last_ball_pos_x_, FIELD_WIDTH*0.5+1.5*BORDER_SIZE)
                self.ball_pos_x_ -= t * ball_dx
                self.ball_pos_y_ -= t * ball_dy
                self.updateBall()  # 更新求得位置
                self.player_contexts_[1-player].score += 1  # 对方得分
                self.updateScore()  # 更新分数
                self.server_.applyChanges() # 让交互后台开始动起来
                self.reset() # 重置桌面，paddle位置并没变化
                rospy.sleep(rospy.Duration(1.0))
            else:
                self.updateBall() # ball在运动中，更新位置即可

            self.last_ball_pos_x_ = self.ball_pos_x_  # 更新上一时刻球的位置
            self.last_ball_pos_y_ = self.ball_pos_y_

            # control computer player  控制AI选手
            if not self.player_contexts_[0].active or not self.player_contexts_[1].active:
                player = 1 if self.player_contexts_[0].active else 0
                delta = self.ball_pos_y_ - self.player_contexts_[player].pos
                delta = max(min(delta, AI_SPEED_LIMIT), -AI_SPEED_LIMIT)
                # paddle的速度是有上限的，所以只要求得速度够快，AI就会失败，这个其实应该加些扰动
                # AI 选手自动更新paddle位置，此时只有某些特殊情形下AI才会输
                self.setPaddlePos(player, self.player_contexts_[player].pos + delta)
            
            self.speed_ += 0.0003
        self.server_.applyChanges()

TimerEvent的属性：

last_expected: 上一次调用的期望时间

last_real： 上一次调用的真实时间

current_expected： 当前调用的期望时间

current_real： 当前调用的真实时间

last_duration： 两次调用的时间间隔

静态场景

静态场景包括桌面的搭建，paddle和ball的位置。

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def makeFieldMarker(self):
        init_marker = InteractiveMarker()
        init_marker.header.frame_id = "base_link"
        init_marker.name = "field"

        control = InteractiveMarkerControl()
        control.always_visible = True
        for i in range(4):
            wrap_marker = WrapMarker()
            wrap_marker.set_type(Marker.CUBE)
            wrap_marker.set_color()
            if i<2: # i=0 上边， i=1 下边
                wrap_marker.set_scale(FIELD_WIDTH + 6.0 * BORDER_SIZE, BORDER_SIZE, BORDER_SIZE)
                y = FIELD_HEIGHT * 0.5 + BORDER_SIZE if i == 0 else -(FIELD_HEIGHT * 0.5 + BORDER_SIZE) 
                wrap_marker.set_position(y=y)
            else: # i=2 右边， i=3 左边
                wrap_marker.set_scale(BORDER_SIZE, FIELD_HEIGHT + 3.0 * BORDER_SIZE, BORDER_SIZE)
                x = FIELD_WIDTH*0.5 + 2.5 * BORDER_SIZE if i==2 else -(FIELD_WIDTH*0.5 + 2.5 * BORDER_SIZE)
                wrap_marker.set_position(x=x)

            control.markers.append(wrap_marker.get_marker())
        init_marker.controls.append(control)
        self.server_.insert(init_marker)  # 一个interactiveMarker接收一个消息

    def makeBallMarker(self):
        int_marker = InteractiveMarker()
        int_marker.header.frame_id = "base_link"
        int_marker.name = 'ball'
        
        control = InteractiveMarkerControl()
        control.always_visible = True
        control.interaction_mode = InteractiveMarkerControl.NONE
        control.orientation.w = 1
        control.orientation.y = 1

        wrap_marker = WrapMarker()
        wrap_marker.set_color()
        wrap_marker.set_type(Marker.CYLINDER)
        wrap_marker.set_scale(BORDER_SIZE, BORDER_SIZE, BORDER_SIZE) # 圆柱

        control.markers.append(wrap_marker.get_marker())
        int_marker.controls.append(control)
        self.server_.insert(int_marker)

    def makePaddleMarkers(self):
        def create_int_marker(name, visible=False, control_mode=0, PPX=PLAYER_X,
                            r=0.0, g=1.0, b=1.0, a=1.0, sx=0., sy=0., sz=0., px=0, py=0, pz=0):
            int_marker = InteractiveMarker()
            int_marker.header.frame_id = "base_link"
            int_marker.name = name
            
            control = InteractiveMarkerControl()
            control.always_visible = visible
            control.interaction_mode = control_mode
            control.orientation.w = 1
            control.orientation.z = 1

            wrap_marker = WrapMarker()
            wrap_marker.set_type(Marker.CUBE)
            wrap_marker.set_color(r=r, g=g, b=b, a=a)
            wrap_marker.set_scale(sx, sy, sz)
            wrap_marker.set_position(x=px, y=py, z=pz)
            control.markers.append(wrap_marker.get_marker())
            int_marker.controls.append(control)
            int_marker.pose.position.x = PPX
            return int_marker

        paddle0_marker = create_int_marker("paddle0", visible=False, control_mode=InteractiveMarkerControl.MOVE_AXIS,
                        r=1., g=1, b=1, a=0, sx=BORDER_SIZE+0.1, sy=PADDLE_SIZE+0.1, sz=BORDER_SIZE+0.1,
                        PPX=-PLAYER_X, px=0, py=0, pz=0)
        self.server_.insert(paddle0_marker, self.processPaddleFeedback)

        paddle1_marker = create_int_marker("paddle1", visible=False, control_mode=InteractiveMarkerControl.MOVE_AXIS,
                        r=1., g=1, b=1, a=0, PPX=PLAYER_X, px=0, py=0, pz=0,
                        sx = BORDER_SIZE+0.1, sy=PADDLE_SIZE+0.1, sz=BORDER_SIZE+0.1)
        self.server_.insert(paddle1_marker, self.processPaddleFeedback)

        paddle0_marker_disp = create_int_marker("paddle0_display", visible=True, control_mode=InteractiveMarkerControl.NONE,
                        r=0.5, g=1, b=0.5, a=1, PPX=-PLAYER_X, px=0, py=0, pz=0,
                        sx = BORDER_SIZE, sy=PADDLE_SIZE, sz=BORDER_SIZE)
        self.server_.insert(paddle0_marker_disp)

        paddle1_marker_disp = create_int_marker("paddle1_display", visible=True, control_mode=InteractiveMarkerControl.NONE,
                        r=0.5, g=0.5, b=1.0, a=1, PPX=PLAYER_X, px=0, py=0, pz=0,
                        sx = BORDER_SIZE, sy=PADDLE_SIZE, sz=BORDER_SIZE)
        self.server_.insert(paddle1_marker_disp)

这个里面其实需要特别注意。我们会发现每一个paddle都定义了两个交互marker，其中绑定回调函数的透明度为0，即看不到，而没绑回调函数的透明度为1.这是因为当使用鼠标控制InteractiveMarker时，marker是随着鼠标运动的，没办法控制她在某个区域内运动，即在这个例子中没法限制该marker在桌面内。

比如我们将paddle0设置代码修改为：

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paddle0_marker = create_int_marker("paddle0", visible=False, control_mode=InteractiveMarkerControl.MOVE_3D,
                        r=1., g=1, b=1, a=1.0, sx=BORDER_SIZE+0.1, sy=PADDLE_SIZE+0.1, sz=BORDER_SIZE+0.1,
                        PPX=-PLAYER_X, px=0, py=0, pz=0)
        self.server_.insert(paddle0_marker, self.processPaddleFeedback)

然后，就会发现paddle0会随着鼠标3D空间跑。

rviz_pong_3d

另外 visible这个参数不是说该marker是否可见，而是说当别的control发生时，该marker是否可见，比如将paddle0的visible=Flase， 那么当拖动paddle1时， paddle0就看不见了。可以试试看。

回调函数

这部分主要是paddle marker发生变化是对应的paddle的位置如何变化，值得注意的是可见的paddle是有边界限制的，即必须在球台上。

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def setPaddlePos(self, player, pos):
       if player > 1:
           return
       pos = min(pos, (FIELD_HEIGHT - PADDLE_SIZE) * 0.5)
       pos = max(pos, -(FIELD_HEIGHT - PADDLE_SIZE) * 0.5)
       self.player_contexts_[player].pos = pos

       pose = Pose()
       pose.position.x = -PLAYER_X if player==0 else PLAYER_X
       pose.position.y = pos

       marker_name = "paddle0" if player==0 else "paddle1"
       self.server_.setPose(marker_name, pose) # 影子和对应的paddle都变化
       self.server_.setPose(marker_name+"_display", pose)

   def processPaddleFeedback(self, feedback):
       if feedback.marker_name == 'paddle0':
           player=0  # 当前选择的是那个选手
       elif feedback.marker_name == 'paddle1':
           player = 1
       else:
           return

       control_marker_name = feedback.marker_name
       pose = feedback.pose

       self.setPaddlePos(player, pose.position.y)
       if feedback.event_type == InteractiveMarkerFeedback.MOUSE_DOWN:
           self.player_contexts_[player].active = True  # 表示paddle是否按下
       if feedback.event_type == InteractiveMarkerFeedback.MOUSE_UP:
           self.player_contexts_[player].active = False

重新开始

重新开始是将球放回中间位置，然后求得初始速度重新设定。

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def reset(self):
        self.speed_ = 6. * UPDATE_RATE
        self.ball_pos_x_, self.ball_pos_y_ = 0.0, 0.0
        self.ball_dir_x_ = 1.0 if self.ball_pos_x_ > 0 else -1.0
        self.ball_dir_y_ = 1.0 if np.random.randint(100)%2==0 else -1.0
        self.normalizeVel()

    def normalizeVel(self):
        l = np.sqrt(self.ball_dir_x_**2 + self.ball_dir_y_**2)
        self.ball_dir_x_ /= l 
        self.ball_dir_y_ /= l

更新状态

这部分主要更新球的状态，当前分数和判断是否碰到边界。

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def reflect(self, pos, last_pos, limit):
        if pos > limit or pos < -limit:
             t = (pos - np.sign(pos) * limit) / (pos - last_pos)
             return True, t
        return False, None

    def updateBall(self):
        pose = Pose()
        pose.position.x, pose.position.y = self.ball_pos_x_, self.ball_pos_y_
        self.server_.setPose("ball", pose)

    def updateScore(self):
        int_marker = InteractiveMarker()
        int_marker.header.frame_id = "base_link"
        int_marker.name = 'score'
        control = InteractiveMarkerControl() 
        control.always_visible = True
        for i in range(2):
            wrap_marker = WrapMarker()
            wrap_marker.set_type(Marker.TEXT_VIEW_FACING)
            wrap_marker.set_color()
            wrap_marker.set_scale(1.5, 1.5, 1.5)
            wrap_marker.set_position(x=(2*i-1)*(FIELD_WIDTH * 0.5 + BORDER_SIZE), y=FIELD_HEIGHT*0.5 + 4* BORDER_SIZE)
            marker = wrap_marker.get_marker()
            marker.text = str(self.player_contexts_[i].score)
            control.markers.append(marker)

        int_marker.controls.append(control)
        self.server_.insert(int_marker)

函数入口

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if __name__=='__main__':
    rospy.init_node('pong')
    pong_game = PongGame()
    rospy.spin()  # 这个必须调用，只有它调用的时候， Timer才会定时启动刷新
    rospy.loginfo("Exiting..")

总结

实现起来还是比较简单的。通过将C++代码转成python代码，更好的理解了中间代码执行过程。尤其值得注意的地方就是该代码设置paddle过程中分别配置了影子paddle，用于处理接收响应。

本文作者 : zhouzongwei
原文链接 : http://yoursite.com/2019/06/26/rviz-pong-python/
版权声明 : 本博客所有文章除特别声明外，均采用 CC BY-NC-SA 4.0 许可协议。转载请注明出处！

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标签: #rviz #python #ros #interactiveMarker #pong
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