基于ROS的智能汽車設(shè)計(jì)與實(shí)訓(xùn)教程第八章

8.1話題Node在ROS的世界里，最小的進(jìn)程單元就是節(jié)點(diǎn)（node）。一個(gè)軟件包里可以有多個(gè)可執(zhí)行文件，可執(zhí)行文件在運(yùn)行之后就成了一個(gè)進(jìn)程(process)，這個(gè)進(jìn)程在ROS中就叫作節(jié)點(diǎn)。從程序角度來說，node就是一個(gè)可執(zhí)行文件（通常為C++編譯生成的可執(zhí)行文件、Python腳本），被執(zhí)行并加載到了內(nèi)存之中；從功能角度來說，通常一個(gè)node負(fù)責(zé)著機(jī)器人的某一個(gè)單獨(dú)的功能。由于機(jī)器人的功能模塊非常復(fù)雜，我們往往不會(huì)把所有功能都集中到一個(gè)node上，而會(huì)采用分布式的方式，把雞蛋放到不同的籃子里。18.1話題Master由于機(jī)器人的元器件很多，功能龐大，因此實(shí)際運(yùn)行時(shí)往往會(huì)運(yùn)行眾多的node，這些node負(fù)責(zé)感知世界、控制運(yùn)動(dòng)、決策和計(jì)算等功能。那么如果要進(jìn)行調(diào)配、管理這些node的話，就要利用ROS提供給我們的節(jié)點(diǎn)管理器master,master在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)里相當(dāng)于管理中心，管理著各個(gè)node。node首先在master處進(jìn)行注冊，之后master會(huì)將該node納入整個(gè)ROS程序中。node之間的通信也是先由master進(jìn)行“牽線”，才能兩兩的進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)通信。當(dāng)ROS程序啟動(dòng)時(shí)，第一步首先啟動(dòng)master，由節(jié)點(diǎn)管理器處理依次啟動(dòng)node。28.1

話題啟動(dòng)master和node當(dāng)我們要啟動(dòng)ROS時(shí)，首先輸入命令:$roscore此時(shí)ROSmaster啟動(dòng)，同時(shí)啟動(dòng)的還有rosout和parameterserver,其中rosout是負(fù)責(zé)日志輸出的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，其作用是告知用戶當(dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)，包括輸出系統(tǒng)的error、warning等等，并且將log記錄于日志文件中，parameterserver即是參數(shù)服務(wù)器，它并不是一個(gè)node，而是存儲(chǔ)參數(shù)配置的一個(gè)服務(wù)器。每一次我們運(yùn)行ROS的節(jié)點(diǎn)前，都需要把master啟動(dòng)起來，這樣才能夠讓節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)和注冊。啟動(dòng)master之后，節(jié)點(diǎn)管理器就開始按照系統(tǒng)的安排協(xié)調(diào)進(jìn)行啟動(dòng)具體的節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)就是一個(gè)進(jìn)程，只不過在ROS中它被賦予了專用的名字里——node。我們知道一個(gè)package中存放著可執(zhí)行文件，可執(zhí)行文件是靜態(tài)的，當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行這些可執(zhí)行文件，將這些文件加載到內(nèi)存中，它就成為了動(dòng)態(tài)的node。具體啟動(dòng)node的語句是：$rosrunpkg_namenode_name3通常我們運(yùn)行ROS，就是按照上面的順序啟動(dòng)，有時(shí)候節(jié)點(diǎn)太多，我們會(huì)選擇用launch文件來啟動(dòng)。Master、Node之間以及Node之間的關(guān)系如圖所示。8.1話題4機(jī)器人是一個(gè)系統(tǒng)工程，通常一個(gè)機(jī)器人運(yùn)行操作時(shí)要開啟很多個(gè)node，對于一個(gè)復(fù)雜的機(jī)器人的啟動(dòng)操作并不需要每個(gè)節(jié)點(diǎn)依次進(jìn)行rosrun，ROS為我們提供了一個(gè)命令能一次性啟動(dòng)master和多個(gè)node。該命令是：$ roslaunchpkg_namefile_name.launchroslaunch命令首先會(huì)自動(dòng)進(jìn)行檢測系統(tǒng)的roscore有沒有運(yùn)行，也即是確認(rèn)節(jié)點(diǎn)管理器是否在運(yùn)行狀態(tài)中，如果master沒有啟動(dòng)，那么roslaunch就會(huì)首先啟動(dòng)master，然后再按照launch的規(guī)則執(zhí)行。8.1

話題launch文件58.1話題ROS的通信方式是ROS最為核心的概念，ROS系統(tǒng)的精髓就在于它提供的通信架構(gòu)。ROS的通信方式有以下四種：Topic話題Service服務(wù)ParameterService參數(shù)服務(wù)器Actionlib動(dòng)作庫ROS中的通信方式中，topic是常用的一種。對于實(shí)時(shí)性、周期性的消息，使用topic來傳輸是最佳的選擇。topic是一種點(diǎn)對點(diǎn)的單向通信方式，這里的“點(diǎn)”指的是node，也就是說node之間可以通過topic方式來傳遞信息。Topic68.1話題topic要經(jīng)歷下面幾步的初始化過程：首先，publisher節(jié)點(diǎn)和subscriber節(jié)點(diǎn)都要到節(jié)點(diǎn)管理器進(jìn)行注冊，然后publisher會(huì)發(fā)布topic，subscriber在master的指揮下會(huì)訂閱該topic，從而建立起sub-pub之間的通信。注意整個(gè)過程是單向的。Topic78.1話題ROS是一種分布式的架構(gòu)，一個(gè)topic可以被多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)布，也可以同時(shí)被多個(gè)節(jié)點(diǎn)接收。比如在這個(gè)場景中用戶可以再加入一個(gè)圖像顯示的節(jié)點(diǎn)，如果想看攝像頭節(jié)點(diǎn)的畫面，則可以用自己的筆記本連接到機(jī)器人上的節(jié)點(diǎn)管理器，然后在自己的電腦上啟動(dòng)圖像顯示節(jié)點(diǎn)。這就體現(xiàn)了分布式系統(tǒng)通信的好處：擴(kuò)展性好、軟件復(fù)用率高?？偨Y(jié)三點(diǎn)：（1）topic通信方式是異步的，發(fā)送時(shí)調(diào)用publish()方法，發(fā)送完成立即返回，不用等待反饋。（2）subscriber通過回調(diào)函數(shù)的方式來處理消息。（3）topic可以同時(shí)有多個(gè)subscribers，也可以同時(shí)有多個(gè)publishers。ROS中這樣的例子有：/rosout、/tf等等。8Message8.1

話題Message按照定義解釋就是topic內(nèi)容的數(shù)據(jù)類型，也稱之為topic的格式標(biāo)準(zhǔn)。這里和我們平常用到的Massage直觀概念有所不同，這里的Message不單單指一條發(fā)布或者訂閱的消息，也指定為topic的格式標(biāo)準(zhǔn)?；镜膍sg包括bool、int8、int16、int32、int64(以及uint)、float、float64、string、time、duration、header、可變長數(shù)組array[]、固定長度數(shù)組array[C]。9上一節(jié)我們介紹了ROS的通信方式中的topic(話題)通信，我們知道topic是ROS中的一種單向的異步通信方式。然而有些時(shí)候單向的通信滿足不了通信要求，比如當(dāng)一些節(jié)點(diǎn)只是臨時(shí)而非周期性的需要某些數(shù)據(jù)，如果用topic通信方式時(shí)就會(huì)消耗大量不必要的系統(tǒng)資源，造成系統(tǒng)的低效率高功耗。這種情況下，就需要有另外一種請求-查詢式的通信模型。這節(jié)我們來介紹ROS通信中的另一種通信方式——service(服務(wù))。8.2

服務(wù)108.2

服務(wù)service方式在通信模型上與topic做了區(qū)別。Service通信是雙向的，它不僅可以發(fā)送消息，同時(shí)還會(huì)有反饋。所以service包括兩個(gè)部分，一部分是請求方（Clinet），另一部分則是應(yīng)答方/服務(wù)提供方（Server）。這時(shí)請求方（Client）就會(huì)發(fā)送一個(gè)request，要等待server處理，反饋回一個(gè)reply，這樣通過類似“請求-應(yīng)答”的機(jī)制完成整個(gè)服務(wù)通信。118.2

服務(wù)Service是同步通信方式，所謂同步就是說，此時(shí)NodeA發(fā)布請求后會(huì)在原地等待reply，直到NodeB處理完了請求并且完成了reply，NodeA才會(huì)繼續(xù)執(zhí)行。NodeA等待過程中，是處于阻塞狀態(tài)的成通信。這樣的通信模型沒有頻繁的消息傳遞，沒有沖突與高系統(tǒng)資源的占用，只有接受請求才執(zhí)行服務(wù)，簡單而且高效。名稱TopicService通信方式異步通信同步通信實(shí)現(xiàn)原理TCP/IPTCP/IP通信模型Publish-SubscribeRequest-Reply映射關(guān)系Publish-Subscribe(多對多)Request-Reply（多對一）特點(diǎn)接受者收到數(shù)據(jù)會(huì)回調(diào)（Callback）遠(yuǎn)程過程調(diào)用（RPC）服務(wù)器端的服務(wù)應(yīng)用場景連續(xù)、高頻的數(shù)據(jù)發(fā)布偶爾使用的功能/具體的任務(wù)舉例激光雷達(dá)、里程計(jì)發(fā)布數(shù)據(jù)開關(guān)傳感器、拍照、計(jì)算topic和service對比128.2

服務(wù)在實(shí)際應(yīng)用中，service通信方式的命令時(shí)rosservice具體的命令參數(shù)如下表：rosservice命令作用rosservicelist顯示服務(wù)列表rosserviceinfo打印服務(wù)信息rosservicetype打印服務(wù)類型rosserviceuri打印服務(wù)ROSRPCurirosservicefind按服務(wù)類型查找服務(wù)rosservicecall使用所提供的args調(diào)用服務(wù)rosserviceargs打印服務(wù)參數(shù)138.2

服務(wù)

類似msg文件，srv文件是用來描述服務(wù)（service數(shù)據(jù)類型的，service通信的數(shù)據(jù)格式定義在*.srv中。它聲明了一個(gè)服務(wù)，包括請求(request)和響應(yīng)（reply）兩部分。rosservice具體的命令參數(shù)如下表：rosservice命令作用rosservicelist顯示服務(wù)列表rosserviceinfo打印服務(wù)信息rosservicetype打印服務(wù)類型rosserviceuri打印服務(wù)ROSRPCurirosservicefind按服務(wù)類型查找服務(wù)rosservicecall使用所提供的args調(diào)用服務(wù)rosserviceargs打印服務(wù)參數(shù)148.3

動(dòng)作Actionlib是ROS中一個(gè)很重要的庫，類似service通信機(jī)制，actionlib也是一種請求響應(yīng)機(jī)制的通信方式，actionlib主要彌補(bǔ)了service通信的一個(gè)不足，就是當(dāng)機(jī)器人執(zhí)行一個(gè)長時(shí)間的任務(wù)時(shí)，假如利用service通信方式，那么publisher會(huì)很長時(shí)間接受不到反饋的reply，致使通信受阻。當(dāng)service通信不能很好的完成任務(wù)時(shí)候，actionlib則可以比較適合實(shí)現(xiàn)長時(shí)間的通信過程，actionlib通信過程可以隨時(shí)被查看過程進(jìn)度，也可以終止請求，這樣的一個(gè)特性，使得它在一些特別的機(jī)制中擁有很高的效率。

Action的工作原理是client-server模式，也是一個(gè)雙向的通信模式。通信雙方在ROSActionProtocol下通過消息進(jìn)行數(shù)據(jù)的交流通信。client和server為用戶提供一個(gè)簡單的API來請求目標(biāo)或通過函數(shù)調(diào)用和回調(diào)來執(zhí)行目標(biāo)。

客戶端會(huì)向服務(wù)器發(fā)送目標(biāo)指令和取消動(dòng)作指令,而服務(wù)器則可以給客戶端發(fā)送實(shí)時(shí)的狀態(tài)信息,結(jié)果信息,反饋信息等等,從而完成了service沒法做到的部分。158.3

動(dòng)作利用動(dòng)作庫進(jìn)行請求響應(yīng)，動(dòng)作的內(nèi)容格式應(yīng)包含三個(gè)部分：目標(biāo)、反饋、結(jié)果。（1）目標(biāo)機(jī)器人執(zhí)行一個(gè)動(dòng)作，應(yīng)該有明確的移動(dòng)目標(biāo)信息，包括一些參數(shù)的設(shè)定，方向、角度、速度等等。從而使機(jī)器人完成動(dòng)作任務(wù)。（2）反饋在動(dòng)作進(jìn)行的過程中，應(yīng)該有實(shí)時(shí)的狀態(tài)信息反饋給服務(wù)器的實(shí)施者，告訴實(shí)施者動(dòng)作完成的狀態(tài)，可以使實(shí)施者作出準(zhǔn)確的判斷去修正命令。（3）結(jié)果當(dāng)運(yùn)動(dòng)完成時(shí)，動(dòng)作服務(wù)器把本次運(yùn)動(dòng)的結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端，使客戶端得到本次動(dòng)作的全部信息，例如可能包含機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)時(shí)長，最終姿勢等等。168.4

參數(shù)參數(shù)服務(wù)器是特殊的“通信方式”。特殊點(diǎn)在于參數(shù)服務(wù)器是節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)參數(shù)的地方、用于配置參數(shù)，全局共享參數(shù)。參數(shù)服務(wù)器使用互聯(lián)網(wǎng)傳輸，在節(jié)點(diǎn)管理器中運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)整個(gè)通信過程。參數(shù)服務(wù)器，其作為ROS中另外一種重要的數(shù)據(jù)傳輸方式，有別于topic和service，它更加的靜態(tài)。參數(shù)服務(wù)器維護(hù)著一個(gè)數(shù)據(jù)字典，字典里存儲(chǔ)著各種參數(shù)和配置。178.4

參數(shù)字典簡介

何為字典，其實(shí)就是一個(gè)個(gè)的鍵值對，我們小時(shí)候?qū)W習(xí)語文的時(shí)候，常常都會(huì)有一本字典，當(dāng)遇到不認(rèn)識(shí)的字了我們可以查部首查到這個(gè)字，獲取這個(gè)字的讀音、意義等等，而這里的字典可以對比理解記憶。鍵值kay可以理解為語文里的“部首”這個(gè)概念，每一個(gè)key都是唯一的。每一個(gè)key不重復(fù)，且每一個(gè)key對應(yīng)著一個(gè)value。也可以說字典就是一種映射關(guān)系，在實(shí)際的項(xiàng)目應(yīng)用中，因?yàn)樽值涞倪@種靜態(tài)的映射特點(diǎn)，我們往往將一些不常用到的參數(shù)和配置放入?yún)?shù)服務(wù)器里的字典里，這樣對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫都將方便高效。188.5

信息通信過程運(yùn)行主節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)之間的消息通信當(dāng)中，管理連接信息的主節(jié)點(diǎn)是為使用ROS必須首先運(yùn)行的必需元素。ROS主節(jié)點(diǎn)使用roscore命令來運(yùn)行，并使用XMLRPC運(yùn)行服務(wù)器。主節(jié)點(diǎn)為了節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)的連接，會(huì)注冊節(jié)點(diǎn)的名稱、話題、服務(wù)、動(dòng)作名稱、消息類型、URI地址和端口，并在有請求時(shí)將此信息通知給其他節(jié)點(diǎn)。198.5

信息通信過程運(yùn)行訂閱者節(jié)點(diǎn)訂閱者節(jié)點(diǎn)使用rosrun或roslaunch命令來運(yùn)行。訂閱者節(jié)點(diǎn)在運(yùn)行時(shí)向主節(jié)點(diǎn)注冊其訂閱者節(jié)點(diǎn)名稱、話題名稱、消息類型、URI地址和端口。主節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)使用XMLRPC進(jìn)行通信。208.5

信息通信過程運(yùn)行發(fā)布者節(jié)點(diǎn)發(fā)布者節(jié)點(diǎn)（與訂閱者節(jié)點(diǎn)類似）使用rosrun或roslaunch命令來運(yùn)行。發(fā)布者節(jié)點(diǎn)向主節(jié)點(diǎn)注冊發(fā)布者節(jié)點(diǎn)名稱、話題名稱、消息類型、URI地址和端口。主節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)使用XMLRPC進(jìn)行通信。218.5

信息通信過程通知發(fā)布者信息主節(jié)點(diǎn)向訂閱者節(jié)點(diǎn)發(fā)送此訂閱者希望訪問的發(fā)布者的名稱、話題名稱、消息類型、URI地址和端口等信息。主節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)使用XMLRPC進(jìn)行通信。228.5

信息通信過程訂閱者節(jié)點(diǎn)的連接請求訂閱者節(jié)點(diǎn)根據(jù)從主節(jié)點(diǎn)接收的發(fā)布者信息，向發(fā)布者節(jié)點(diǎn)請求直接連接。在這種情況下，要發(fā)送的信息包括訂閱者節(jié)點(diǎn)名稱、話題名稱和消息類型。發(fā)布者節(jié)點(diǎn)和訂閱者節(jié)點(diǎn)使用XMLRPC進(jìn)行通信。238.5

信息通信過程發(fā)布者節(jié)點(diǎn)的連接響應(yīng)發(fā)布者節(jié)點(diǎn)將TCP服務(wù)器的URI地址和端口作