理解ROS

介绍ROS的一些核心概念。

1. 首先运行roscore启动ROS节点管理器&＃xff0c;然后才能启动rosrun的其他节点&＃xff1a;

$roscore

Roscore会启动一个ROS Master&＃xff0c;一个ROS参数服务器和一个名为rosout的日志节点。如果使用roslaunch启动ROS节点&＃xff0c;那么roslaunch会检测roscore是否启动&＃xff0c;并自动启动roscore。

整个ROS系统由一个节点管理器和多个相对独立的节点组成&＃xff0c;能够提供运动规划&＃xff0c;机械臂控制等诸多功能。

 

ROS的系统架构

ROS从架构视角上可以分为操作系统层、中间件层和应用层三个层级。ROS的系统架构如下图所示。

在操作系统层&＃xff0c;ROS基于Ubuntu进行构建。

在中间件层&＃xff0c;ROS基于TCPROS、UDPROS进行通信&＃xff0c;TCPROS、UDPROS是基于TCP、UDP的ROS应用层数据协议&＃xff0c;用于解析话题和服务的二进制数据流。

在应用层&＃xff0c;ROS基于节点管理器进行节点的发现、发布/订阅、请求/响应等&＃xff0c;并记录其他节点的位置&＃xff0c;然后将这些信息通知给需要建立连接的节点。ROS基于XML-RPC协议进行节点通信。

ROS源代码位于https://github.com/ros/rosdistro下。

 

ROS从设计视角上可以分为三个层级&＃xff1a;开源社区级&＃xff0c;文件系统级和计算图集。具体介绍可以看我的另一篇博文ROS学习笔记&＃xff08;一&＃xff09;ROS系统架构

 

·程序包package

工作空间的所有程序包均位于工作空间的src目录下&＃xff0c;一个工作空间下可以包含多个程序包。

如果存在程序包集&＃xff0c;那么程序包应与程序包集在同一级目录

 

 

理解节点管理器

节点管理器&＃xff08;通过roscore启动&＃xff09;可以理解为ROS的神经中枢&＃xff0c;节点在启动时注册到节点管理器上&＃xff0c;节点管理器对节点进行管理&＃xff0c;并帮助节点找到彼此。节点管理器不参与节点之间的消息传递。

roscore启动过程主要完成&＃xff1a;

• 启动节点管理利器&＃xff0c;节点管理器主要用于查询节点&＃xff0c;实现消息服务在各个节点之间的连接&＃xff1b;
• 启动参数服务器&＃xff0c;参数服务器用于设置和查询参数&＃xff1b;
• 启动日志节点rosout&＃xff0c;记录所有消息的收发和stdout、stderr。

 

理解节点

ROS将程序包中可执行文件的运行实例称为节点&＃xff08;Node&＃xff09;&＃xff0c;节点本质上就是执行运算任务的进程。

1. 启动节点

ROS支持rosrun、roulaunch两种方式启动节点&＃xff0c;两者的区别在于:

rosrun一次只能启动一个节点&＃xff0c;若启动节点前节点管理器没有启动&＃xff0c;则启动节点会失败。

利用rosrun可直接启动程序包中的节点&＃xff0c;其中节点名为CMakeList.txt文件中的add_executable宏定义的可执行文件名&＃xff0c;启动方法如下&＃xff1a;

$roslaunch [程序包名] [节点名称]

 

roslaunch可以通过launch文件一次启动多个节点&＃xff0c;如果启动节点时没有节点管理器正在运行&＃xff0c;则roslaunch会自动启动节点管理器&＃xff0c;如果已经有节点管理器在运行&＃xff0c;则连接已启动的节点管理器。

任何包含两个及以上节点的程序包都可以利用launch文件来指定和配置需要使用的节点&＃xff0c;launch文件本质上是一以launch为后缀的XML文件&＃xff0c;应位于launch目录下。

利用roslaunch调用程序包的launch文件启动节点&＃xff0c;方法如下&＃xff1a;

$roslaunch [选项] [程序包名] [可变参数]

 

1. 查看节点信息

通过rosnode可以查看节点的相关信息。

查看当前运行节点列表的方法如下&＃xff1a;

$rosnode list

 

理解话题

       节点之间的通信可通过消息&＃xff08;Message&＃xff09;进行传递&＃xff0c;而消息则封装在话题&＃xff08;Topic&＃xff09;中&＃xff0c;话题本质上是对套接字&＃xff08;Socket&＃xff09;的一种封装。消息以发布&＃xff08;publish&＃xff09;/订阅(subscribe)的模式进行传递&＃xff0c;一个节点可以向一个给定的话题发布消息&＃xff0c;另一个节点可以订阅给定话题中特定消息类型的消息。发布者和订阅者可通过话题实现解耦。

       在ROS中话题必须是唯一的&＃xff0c;否则消息路由就会产生错误。

       话题可以利用可视化工具rqt_graph进行查看。

       调试过程中&＃xff0c;可通过命令行将消息发布到话题上。

理解消息

在ROS中&＃xff0c;消息本质上是一种节点间传递信息的数据类型。

ROS利用了简单的、与开发语言无关的接口来描述模块间传递的消息。

利用消息机制可以很好地实现分布式节点之间的通信&＃xff0c;也有利于开发者实现高内聚、低耦合的代码。

1. 消息类型

每个消息都属于一个特定的程序包&＃xff0c;消息类型的命名方式为&＃xff1a;

程序包名/消息名

如&＃xff1a;geometry_msgs/Twist

消息类型每行的声明必须包含两部分&＃xff1a;域和变量&＃xff1b;域定义的消息的数据类型&＃xff0c;变量定义了域的名称。域可以是独立域或者符合域。

1. 查看消息

利用rosmsg可以查看消息。

如&＃xff1a;rosmsg show [消息类型]

1. 手动发布消息&＃xff08;同手动发布话题&＃xff09;

 

理解服务

服务是ROS的另外一种通信机制&＃xff0c;它与消息的区别在于消息是单向的&＃xff0c;没有相应的概念&＃xff0c;每一个消息都与一个话题相关&＃xff0c;该话题可以有多个发布者和订阅者&＃xff0c;消息既可以一对多&＃xff0c;也可以多对多&＃xff1b;服务是双向的&＃xff0c;一个节点向另一个节点发送消息并等待响应&＃xff0c;而且服务的响应也返回同一个节点。

1. 服务类型

服务文件是一个后缀名为srv并描述服务类型的文本文件&＃xff0c;存放在程序包的srv目录下。服务文件由请求、响应两部分构成&＃xff0c;请求和响应之间通过“---”隔开。

服务的每行声明与消息类型格式一样。

1. 查看服务

通过rosservice可以查看服务的信息&＃xff0c;常见的用法如下&＃xff1a;

查看服务列表

$rosservice list

理解动作

       如之前介绍&＃xff0c;服务的响应是同步的&＃xff0c;这在执行一些耗时较短的任务时没有问题&＃xff0c;但在执行一些耗时较长的任务&＃xff0c;如让机械臂从A点运动到B点时&＃xff0c;服务就会造成线程的阻塞。

为了解决这一问题&＃xff0c;ROS提供了动作&＃xff08;Action&＃xff09;执行耗时长的异步任务&＃xff0c;动作除了请求是异步的之外&＃xff0c;还能查看任务进度并取消任务等。

1. 动作类型

ROS的动作由后缀为action的文本文件进行定义&＃xff0c;动作文件包含goal、result、feedback三部分的内容。三者之间通过“---”隔开。如下所示&＃xff1a;

#goal

int32 total

---

#result

int32 sum

---

#feedback

      

1. 动作状态

ROS的动作采用Client/Server架构的设计&＃xff0c;可通过ActionClient、ActionServer来完成动作的通信。

动作在机械臂、定位、及导航等场景中应用广泛。

 

理解参数

       ROS通过参数服务器来存储和操作数据&＃xff0c;参数服务器可以存储整型、浮点型、布尔型、字典型、列表型等类型的数据&＃xff0c;节点可以通过接口实时地存储和获取参数&＃xff0c;但考虑到可读性&＃xff0c;参数以静态非二进制的形式存在&＃xff0c;性能并不算高&＃xff0c;参数服务器是节点管理器的一部分。

       参数既可以用rosparam来进行管理&＃xff0c;也可以在launch文件中配置&＃xff0c;还可以通过代码进行动态配置。