機器人操作系統(tǒng)（ROS）課件3.ROS的概述

機器人操作系統(tǒng)（ROS）機器人操作系統(tǒng)（ROS）ROS概述3機器人操作系統(tǒng)（ROS）3.ROS的概述在這一章，我們將深入探討ROS的架構和一些重要概念。ROS是兩個程序或者進程間通信的框架，是一個優(yōu)秀的機器人分布式框架。ROS系統(tǒng)的架構主要被設計和劃分為三部分，每一部分代表一個層級的概念： 文件系統(tǒng)級(Thefilesystemlevel)

計算圖級(Thecomputationgraphlevel)

開源社區(qū)級(Thecommunitylevel)機器人操作系統(tǒng)（ROS）3.1ROS文件系統(tǒng)級如果你是剛剛接手ROS方面的開發(fā)或項目，你肯定會覺得ROS中的各種概念非常奇怪，但是當你對ROS的使用熟練之后，你就覺得這些概念很好理解了。與其他操作系統(tǒng)相似，一個ROS程序的不同組件要被放在不同的文件夾下，這些文件夾是根據(jù)不同的功能來對文件進行組織的，如圖3-1所示：機器人操作系統(tǒng)（ROS）3.1ROS文件系統(tǒng)級功能包（Package）：功能包是ROS中軟件組織的基本形式。它可以包含ROS運行的進程（節(jié)點）、配置文件等。功能包清單（PackageManifest）：功能包清單提供關于功能包、許可信息、依賴關系、編譯標志等的信息。一個包的清單一個名為package.xml的文件管理。元功能包（Metapackage）：將幾個具有某些功能的功能包組織在一起，就獲得了一個元功能包。例如一個ROS導航的元功能包中會包含建模、定位、導航等功能包。消息類型（Message）：消息是一個節(jié)點發(fā)送到其他節(jié)點的信息。ROS系統(tǒng)有很多的標準消息類型。消息類型的說明存儲在對應功能包的msg文件夾下。服務類型（Service）：服務描述說明存儲在對應功能包的src文件夾下，定義了在ROS中由每個進程提供的關于服務請求和響應的數(shù)據(jù)結構。機器人操作系統(tǒng)（ROS）3.1.1工作空間工作空間就是一個包含功能包、可編輯源文件或編譯包的文件夾。當想同時編譯不同的功能包時非常有用，并且可以用來保存本地開發(fā)包，一般包含src、bulid和devel這三個文件夾。開發(fā)過程中只需要更改src文件夾里的文件，build和devel無需手動創(chuàng)建，編譯功能包時會自動生成。源文件空間（src文件夾）：在源文件空間放置了功能包等。編譯空間（build文件夾）：build文件夾存放CMake和catkin的緩存信息、配置和其他中間文件。開發(fā)空間（devel文件夾）：devel文件夾用來保存編譯后的程序。典型的ROS程序包結構機器人操作系統(tǒng)（ROS）3.1.2功能包功能包是ROS中軟件組織的基本形式，一個功能包具有用于創(chuàng)建ROS程序的最小結構和最少內(nèi)容，它可以包含ROS運行的進程（節(jié)點）、配置文件等。一個功能包中主要包含這幾個文件：CMakeLists.txt功能包配置文件：用于這個功能包cmake編譯時的配置文件。package.xml功能包清單文件：用xml的標簽格式標記這個功能包的各類相關信息，比如包的名稱、依賴關系等。主要作用是為了更容易的安裝和分發(fā)功能包。include<package_name>功能包頭文件目錄：你可以把你的功能包程序包含的*.h頭文件放在這里，include下之所以還要加一級路徑<package_name>是為了更好的區(qū)分自己定義的頭文件和系統(tǒng)標準頭文件，<package_name>用實際功能包的名稱替代。不過這個文件夾不是必要項，比如有些程序沒有頭文件的情況。msg非標準消息定義目錄：消息是ROS中一個進程（節(jié)點）發(fā)送到其他進程（節(jié)點）的信息，消息類型是消息的數(shù)據(jù)結構，ROS系統(tǒng)提供了很多標準類型的消息可以直接使用，如果你要使用一些非標準類型的消息，就需要自己來定義該類型的消息，并把定義的文件放在這里。不過這個文件夾不是必要項，比如程序中只使用標準類型的消息的情況。機器人操作系統(tǒng)（ROS）3.1.2功能包srv服務類型定義目錄：服務是ROS中進程（節(jié)點）間的請求/響應通信過程，服務類型是服務請求/響應的數(shù)據(jù)結構，服務類型的定義放在這里。如果要調(diào)用此服務，你需要使用該功能包名稱和服務名稱。不過這個文件夾不是必要項，比如程序中不使用服務的情況。scripts可執(zhí)行腳本文件存放目錄：這里用于存放bash、Python或其他腳本的可執(zhí)行文件。不過這個文件夾不是必要項，比如程序中不使用可執(zhí)行腳本的情況。launch文件目錄：這里用于存放*.launch文件，*.launch文件用于啟動ROS功能包中的一個或多個節(jié)點，在含有多個節(jié)點啟動的大型項目中很有用。不過這個文件夾不是必要項，節(jié)點也可以不通過launch文件啟動。src功能包中節(jié)點源文件存放目錄：一個功能包中可以有多個進程（節(jié)點）程序來完成不同的功能，每個進程（節(jié)點）程序都是可以單獨運行的，這里用于存放這些進程（節(jié)點）程序的源文件，你可以在這里再創(chuàng)建文件夾和文件來按你的需求組織源文件，源文件可以用c++、Python等來書寫。機器人操作系統(tǒng)（ROS）3.1.2功能包為了創(chuàng)建、修改、使用功能包，ROS給我們提供了一些實用的工具，常用的有下面這些工具。rospack：用于獲取信息或在系統(tǒng)中查找工作空間。catkin_create_pkg：用于在工作空間的src源空間下創(chuàng)建一個新的功能包。catkin_make：用于編譯工作空間中的功能包。rosdep：用于安裝功能包的系統(tǒng)依賴項。rqt_dep：用于查看功能包的依賴關系圖。關于這些工具命令的具體使用方法，會在后面的章節(jié)中結合實例進行具體的講解。這里只是先介紹給大家，讓大家有個概念上的了解，感興趣的朋友也可以自己上網(wǎng)了解這些命令的具體用法。機器人操作系統(tǒng)（ROS）3.1.3元功能包MetaPackage是Linux的一個文件管理系統(tǒng)的概念。是ROS中的一個虛包，里面沒有實質(zhì)性的內(nèi)容，但是它依賴了其他的軟件包，通過這種方法可以把其他包組合起來，構成一個邏輯上獨立的功能包，類似功能包集合的概念。元功能包與功能包的package.xml有些許不同，需包含引用標簽：<export><metapackage/></export>此外，元功能包還不需要<build_depend>標簽聲明編譯過程依賴的其他功能包，只需要使用<run_depend>標簽聲明功能包運行時依賴的其他功能包。機器人操作系統(tǒng)（ROS）3.2計算圖級ROS會創(chuàng)建一個連接到所有進程的網(wǎng)絡。在系統(tǒng)中的任何節(jié)點都可以訪問此網(wǎng)絡，并通過該網(wǎng)絡與其他節(jié)點交互，獲取其他節(jié)點發(fā)布的信息，并且將自身數(shù)據(jù)發(fā)布到網(wǎng)絡上。以下是一些與ROS計算圖級有關的術語：ROS節(jié)點（node）：使用ROSAPI進行運算的進程。ROS節(jié)點管理器（master）：連接ROS節(jié)點的媒介程序。ROS參數(shù)服務器（parameterserver）：通常與ROSMaster一起運行的一個程序。使用者可以在此服務器上存儲不同的參數(shù)，所有的節(jié)點都可以訪問它，但使用者也可以設置參數(shù)的保密性。如果某個參數(shù)是公共的，那么所有節(jié)點都可以訪問，但如果某個參數(shù)具有私有屬性，那么只有特定的節(jié)點才可以訪問這個參數(shù)。機器人操作系統(tǒng)（ROS）3.2計算圖級ROS話題（topics）：ROS節(jié)點可以通過話題發(fā)送或接收信息。一個節(jié)點可以發(fā)布或者接收任意數(shù)量的話題。ROS消息（message）：消息基本上都是通過話題傳送。ROS含有許多內(nèi)建的消息類型，當然使用者也可以定義他們自己的消息類型。ROS服務（service）：比起ROS的話題（Topics），ROS服務（Service）則有著請求/應答的機制。服務是一種根據(jù)客戶節(jié)點的請求進行服務響應的功能。能夠處理服務請求的節(jié)點被稱為服務節(jié)點，而請求服務的節(jié)點被稱為客戶節(jié)點。ROS數(shù)據(jù)記錄包（bags）：一種可用于保存和查看ROS話題歷史記錄的有效方式，可用于在機器人中記錄數(shù)據(jù)以便離線處理。計算圖級機器人操作系統(tǒng)（ROS）3.2.1節(jié)點節(jié)點是主要的計算執(zhí)行進程。系統(tǒng)包含能夠?qū)崿F(xiàn)不同功能的多個節(jié)點。你最好讓眾多節(jié)點都具有單一的功能而不是在系統(tǒng)中創(chuàng)建一個包羅萬象的大節(jié)點。節(jié)點需要使用如roscpp或rospy的ROS客戶端庫進行編寫。ROS有另一種類型的節(jié)點，動態(tài)加載接節(jié)點nodelet。nodelet可以在單個進程中運行多個，其中每個nodelet為一個線程（輕量級進程）。nodelet可以減少ros節(jié)點之間的消息傳輸，將多個算法的nodelet跑到一個進程中，這樣就無需數(shù)據(jù)傳輸，這是因為進程內(nèi)部內(nèi)存是共享的，數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜〉刂芳纯?，從而實現(xiàn)的零拷貝（zerocopy）。這樣節(jié)點通信效率更高。例如nodelet對于攝像頭和3D傳感器這類大數(shù)據(jù)傳輸量的設備特別有用。ROS提供了處理節(jié)點的工具，用于節(jié)點信息、狀態(tài)、可用性等的查詢操作，例如可以用下面的命令對正在運行的節(jié)點進行操作。rosnodeinfo<node_name>：用于輸出當前節(jié)點信息。rosnodekill<node_name>：用于殺死正在運行節(jié)點進程來結束節(jié)點的運行。rosnodelist：用于列出當前活動的節(jié)點。rosnodemachine<hostname>：用于列出指定計算機上運行的節(jié)點。rosnodeping<node_name>：用于測試節(jié)點間的網(wǎng)絡連通性。rosnodecleanup：用于將無法訪問節(jié)點的注冊信息清除。機器人操作系統(tǒng)（ROS）3.2.2消息節(jié)點通過消息（message）完成彼此的溝通。消息包含一個節(jié)點發(fā)送給其他節(jié)點的信息數(shù)據(jù)。關于消息類型的知識在前面已經(jīng)講述了，這里不再贅述。ROS提供了獲取消息相關信息的命令工具，以下列舉出一些常用的命令。rosmsgshow<message_type>：用于顯示一條消息的字段。rosmsglist：用于列出所有消息。rosmsgpackage<package_name>：用于列出功能包的所有消息。rosmsgpackages：用于列出所有具有該消息的功能包。rosmsgusers<message_type>：用于搜索使用該消息類型的代碼文件。rosmsgmd5<message_type>：用于顯示一條消息的MD5求和結果。機器人操作系統(tǒng)（ROS）3.2.3話題每個消息都必須發(fā)布到相應的話題（topic），通過話題來實現(xiàn)在ROS計算圖網(wǎng)絡中的路由轉(zhuǎn)發(fā)。當一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，我們就說該節(jié)點正在向話題發(fā)布消息；節(jié)點可以通過訂閱某個話題，接收來自其他節(jié)點的消息。通過話題進行消息路由不需要節(jié)點之間直接連接，這就意味著發(fā)布者節(jié)點和訂閱者節(jié)點之間不需要知道彼此是否存在，這樣就保證了發(fā)布者節(jié)點與訂閱者節(jié)點之間的解耦合。同一個話題可以有多個訂閱者也可以有多個發(fā)布者，不過要注意必須使用不同的節(jié)點發(fā)布同一個話題。每個話題都是強類型的，不管是發(fā)布消息到話題還是從話題中訂閱消息，發(fā)布者和訂閱者定義的消息類型必須與話題的消息類型相匹配。ROS提供了操作話題的命令工具，以下列舉出一些常用的命令。rostopicbw</topic_name>：用于顯示話題所使用的帶寬。rostopicecho</topic_name>：用于將話題中的消息數(shù)據(jù)輸出到屏幕。rostopicfind<message_type>：用于按照消息類型查找話題。rostopichz</topic_name>：用于顯示話題的發(fā)布頻率。rostopicinfo</topic_name>：用于輸出活動話題、發(fā)布的話題、話題訂閱者和服務的信息。rostopiclist：用于列出當前活動話題的列表。rostopicpub</topic_name><message_type><args>：用于通過命令行將數(shù)據(jù)發(fā)布到話題。rostopictype</topic_name>：用于輸出話題中發(fā)布的消息類型。機器人操作系統(tǒng)（ROS）3.2.4服務在一些特殊的場合，節(jié)點間需要點對點的高效率通信并及時獲取應答，這個時候就需要用服務的方式進行交互。提供服務的節(jié)點叫服務端，向服務端發(fā)起請求并等待響應的節(jié)點叫客戶端，客戶端發(fā)起一次請求并得到服務端的一次響應，這樣就完成了一次服務通信過程。服務通信過程中服務的數(shù)據(jù)類型需要用戶自己定義，與消息不同，節(jié)點并不提供標準服務類型。服務類型的定義文件都是以*.srv為擴展名，并且被放在功能包的srv/文件夾下。ROS提供了操作服務的命令工具，以下列舉出一些常用的命令。rosservicecall</service_name><args>：用于通過命令行參數(shù)調(diào)用服務。rosservicefind<service_type>：用于根據(jù)服務類型查詢服務。rosserviceinfo</service_name>：用于輸出服務信息。rosservicelist：用于列出活動服務清單。rosservicetype</service_name>：用于輸出服務類型。rosserviceuri</service_name>：用于輸出服務的ROSRPCURI。機器人操作系統(tǒng)（ROS）3.2.5節(jié)點管理器節(jié)點管理器（master）用于節(jié)點的名稱注冊和查找等，也負責設置節(jié)點間的通信。如果在你的整個ROS系統(tǒng)中沒有節(jié)點管理器，就不會有節(jié)點、消息、服務之間的通信。由于ROS本身就是一個分布式的網(wǎng)絡系統(tǒng)，所以你可以在某臺計算機上運行節(jié)點管理器，在這臺計算機和其他臺計算機上運行節(jié)點。ROS中提供了跟節(jié)點管理器相關的命令行工具，就是roscore。roscore：用于啟動節(jié)點管理器，這個命令會加載ROS節(jié)點管理器和其他ROS核心組件。機器人操作系統(tǒng)（ROS）3.2.6參數(shù)服務器參數(shù)服務器（parameterserver）能夠使數(shù)據(jù)通過關鍵詞存儲在一個系統(tǒng)的核心位置。通過使用參數(shù)，就能夠在節(jié)點運行時動態(tài)配置節(jié)點或改變節(jié)點的工作任務。參數(shù)服務器是可通過網(wǎng)絡訪問的共享的多變量字典，節(jié)點使用此服務器來存儲和檢索運行時的參數(shù)。ROS中關于參數(shù)服務器的命令行工具，以下列舉出一些常用的命令。rosparamlist：用于列出參數(shù)服務器中的所有參數(shù)。rosparamget<parameter_name>：用于獲取參數(shù)服務器中的參數(shù)值。rosparamset<parameter_name><value>：用于設置參數(shù)服務器中參數(shù)的值。rosparamdelete<parameter_name>：用于將參數(shù)從參數(shù)服務器中刪除。rosparamdump<file>：用于將參數(shù)服務器的參數(shù)保存到一個文件。rosparamload<file>：用于從文件將參數(shù)加載到參數(shù)服務器。機器人操作系統(tǒng)（ROS）3.2.7消息記錄包消息記錄包（bag）是一種用于保存和回放ROS消息數(shù)據(jù)的文件格式。消息記錄包是一種用于存儲數(shù)據(jù)的重要機制，它可以幫助記錄一些難以收集的傳感器數(shù)據(jù)，然后通過反復回放數(shù)據(jù)進行算法的性能開發(fā)和測試。ROS創(chuàng)建的消息記錄包文件以*.bag為擴展名，通過播放、停止、后退操作該文件，可以像實時會話一