SLAM+語音機器人DIY系列：（二）ROS入門——2.ROS系統整體架構

工作空間是一個包含功能包、可編輯源文件和編譯包的文件夾，當你想同時編譯不同的功能包時非常有用，並且可以保存本地開發包。當然，用戶可以根據自己的需要創建多個工作空間，在每個工作空間中開發不同用途的功能包。不過作為學習，我們先以一個工作空間為例。如圖3，我們創建了一個名為catkin_ws的工作空間，該工作空間下會有3個文件夾：src、build、devel。

src源文件空間：這個文件夾放置各個功能包和一個用於這些功能包的CMake配置文件CMakeLists.txt。這里做一下說明，由於ROS中的源碼采用catkin工具進行編譯，而catkin工具又是基於cmake技術的，所以我們會在src源文件空間和各個功能包中都會見到一個文件CMakeLists.txt，這個文件就是起編譯配置的作用。

build編譯空間：這個文件夾放置CMake和catkin編譯功能包時產生的緩存、配置、中間文件等。

devel開發空間：這個文件夾放置編譯好的可執行程序，這些可執行程序是不需要安裝就能直接運行的。一旦功能包源碼編譯和測試通過后，可以將這些編譯好的可執行文件直接導出與其他開發人員分享。

（2）功能包

功能包是ROS中軟件組織的基本形式，一個功能包具有用於創建ROS程序的最小結構和最少內容，它可以包含ROS運行的進程（節點）、配置文件等。如圖3，一個功能包中主要包含這幾個文件：

CMakeLists.txt功能包配置文件：用於這個功能包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>是為了更好的區分自己定義的頭文件和系統標准頭文件，<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非標准消息定義目錄：消息是ROS中一個進程（節點）發送到其他進程（節點）的信息，消息類型是消息的數據結構，ROS系統提供了很多標准類型的消息可以直接使用，如果你要使用一些非標准類型的消息，就需要自己來定義該類型的消息，並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准類型的消息的情況。

srv服務類型定義目錄：服務是ROS中進程（節點）間的請求/響應通信過程，服務類型是服務請求/響應的數據結構，服務類型的定義放在這里。如果要調用此服務，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可執行腳本文件存放目錄：這里用於存放bash、python或其他腳本的可執行文件。不過這個文件夾不是必要項，比如程序中不使用可執行腳本的情況。

launch文件目錄：這里用於存放*.launch文件，*.launch文件用於啟動ROS功能包中的一個或多個節點，在含有多個節點啟動的大型項目中很有用。不過這個文件夾不是必要項，節點也可以不通過launch文件啟動。

src功能包中節點源文件存放目錄：一個功能包中可以有多個進程（節點）程序來完成不同的功能，每個進程（節點）程序都是可以單獨運行的，這里用於存放這些進程（節點）程序的源文件，你可以在這里再創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。

為了創建、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：用於獲取信息或在系統中查找工作空間。

catkin_create_pkg：用於在工作空間的src源空間下創建一個新的功能包。

catkin_make：用於編譯工作空間中的功能包。

rosdep：用於安裝功能包的系統依賴項。

rqt_dep：用於查看功能包的依賴關系圖。

關於這些工具命令的具體使用方法，會在后面的章節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了解這些命令的具體用法。

（3）消息

消息是ROS中一個進程（節點）發送到其他進程（節點）的信息，消息類型是消息的數據結構，ROS系統提供了很多標准類型的消息可以直接使用，如果你要使用一些非標准類型的消息，就需要自己來定義該類型的消息。

ROS使用了一種精簡的消息類型描述語言來描述ROS進程（節點）發布的數據值。通過這種描述語言對消息類型的定義，ROS可以在不同的編程語言（如c++、python等）書寫的程序中使用此消息。不管是ROS系統提供的標准類型消息，還是用戶自定義的非標准類型消息，定義文件都是以*.msg作為擴展名。消息類型的定義分為兩個主要部分：字段的數據類型和字段的名稱，簡單點說就是結構體中的變量類型和變量名稱。比如下面的一個示例消息定義文件example.msg的內容，如圖4，int32、float32、string就是字段的數據類型，id、vel、name就是字段的名稱。

（圖4）一個示例消息定義文件

在大多數情況下，我們都可以使用ROS系統提供的標准類型的消息來完成任務，這得益於ROS系統提供了豐富的標准類型的消息。經常用到的類型包括：基本類型（std_msgs）、通用類型（sensor_msgs、geometry_msgs、nav_msgs、actionlib_msgs），如圖5。

（圖5）ROS系統提供的常用標准類型的消息

不難發現std_msgs下面定義的是經ROS封裝后的最基本的數據類型，比如Bool、Char、Int16等；sensor_msgs下面定義的是跟傳感器數據相關的數據類型，比如Image對應的就是攝像頭的數據類型，Imu對應的就是IMU傳感器的數據類型，LaserScan對應的就是激光雷達的數據類型，PointCloud對應的就是點雲掃描傳感器（如深度相機）的數據類型，Range對應的就是距離測量傳感器（如超聲波、紅外測距）的數據類型；geometry_msgs下定義的是跟幾何有關的數據類型，比如Pose用來描述機器人在空間的位姿，Quaternion用四元數描述空間方向，Transform用來描述不同坐標系之間的轉移關系，Twist用來描述機器人運動時的位姿、速度等狀態信息；nav_msgs下定義的是跟機器人導航相關的數據類型，比如OccupancyGrid是柵格地圖的數據類型，Odometry是機器人通過輪式碼盤或其他方式融合得到的里程計的數據類型，Path是路徑規划算法計算得到的導航路勁的數據類型；actionlib_msgs下定義的是actionlib控制過程相關的數據類型，比如GoalID描述發送出去的導航目標的ID號，GoalStatus描述執行導航目標過程的過程狀態信息。如果想了解更多ROS系統的消息類型的細節，最好的方式是去ROS wiki看官方的文檔，鏈接如下：

http://wiki.ros.org/std_msgs/

http://wiki.ros.org/common_msgs/

（4）服務

服務是ROS中進程（節點）間的請求/響應通信過程，服務類型是服務請求/響應的數據結構。服務類型的定義借鑒了消息類型的定義方式，所以這里就不在贅述了。區別在於，消息數據是ROS進程（節點）間多對多廣播式通信過程中傳遞的信息；服務數據是ROS進程（節點）間點對點的請求/響應通信過程傳遞的信息。

2.2.從計算圖級理解ROS架構

ROS會創建一個連接所有進程（節點）的網絡，其中的任何進程（節點）都可以訪問此網絡，並通過該網絡與其他進程（節點）交互，獲取其他進程（節點）發布的信息，並將自身數據發布到網絡上，這個計算圖網絡中的節點（node）、主題（topic）、服務（server）等都要有唯一的名稱做標識，如圖6。

（圖6）計算圖級理解ROS架構

（1）節點

節點是主要的計算執行進程，功能包中創建的每個可執行程序在被啟動加載到系統進程中后，該進程就是一個ROS節點，如圖6中的node1、node2、node3等都是節點（node）。節點都是各自獨立的可執行文件，能夠通過主題（topic）、服務（server）或參數服務器（parameter server）與其他節點通信。ROS通過使用節點將代碼和功能解耦，提高了系統的容錯力和可維護性。所以你最好讓每一個節點都具有特定的單一的功能，而不是創建一個包羅萬象的大節點。節點如果用c++進行編寫，需要用到ROS提供的庫roscpp；節點如果用python進行編寫，需要用到ROS提供的庫rospy。

ROS提供了處理節點的工具，用於節點信息、狀態、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點進行操作。

rosnode info <node_name>：用於輸出當前節點信息。

rosnode kill <node_name>：用於殺死正在運行節點進程來結束節點的運行。

rosnode list：用於列出當前活動的節點。

rosnode machine <hostname>：用於列出指定計算機上運行的節點。

rosnode ping <node_name>：用於測試節點間的網絡連通性。

rosnode cleanup：用於將無法訪問節點的注冊信息清除。

（2）消息

節點通過消息（message）完成彼此的溝通。消息包含一個節點發送給其他節點的信息數據。關於消息類型的知識在前面已經講述了，這里就不再展開。

ROS提供了獲取消息相關信息的命令工具，這里列舉出一些常用的命令，來具體看看吧。

rosmsg show <message_type>：用於顯示一條消息的字段。

rosmsg list：用於列出所有消息。

rosmsg package <package _name>：用於列出功能包的所有消息。

rosmsg packages：用於列出所有具有該消息的功能包。

rosmsg users <message_type>：用於搜索使用該消息類型的代碼文件。

rosmsg md5 <message_type>：用於顯示一條消息的MD5求和結果。

（3）主題

每個消息都必須發布到相應的主題（topic），通過主題來實現在ROS計算圖網絡中的路由轉發。當一個節點發送數據時，我們就說該節點正在向主題發布消息；節點可以通過訂閱某個主題，接收來自其他節點的消息。通過主題進行消息路由不需要節點之間直接連接，這就意味着發布者節點和訂閱者節點之間不需要知道彼此是否存在，這樣就保證了發布者節點與訂閱者節點之間的解耦合。同一個主題可以有多個訂閱者也可以有多個發布者，不過要注意必須使用不同的節點發布同一個主題。每個主題都是強類型的，不管是發布消息到主題還是從主題中訂閱消息，發布者和訂閱者定義的消息類型必須與主題的消息類型相匹配。

ROS提供了操作主題的命令工具，這里列舉出一些常用的命令，來具體看看吧。

rostopic bw </topic_name>：用於顯示主題所使用的帶寬。

rostopic echo </topic_name>：用於將主題中的消息數據輸出到屏幕。

rostopic find <message_type>：用於按照消息類型查找主題。

rostopic hz </topic_name>：用於顯示主題的發布頻率。

rostopic info </topic_name>：用於輸出活動主題、發布的主題、主題訂閱者和服務的信息。

rostopic list：用於列出當前活動主題的列表。

rostopic pub </topic_name> <message_type> <args>：用於通過命令行將數據發布到主題。

rostopic type </topic_name>：用於輸出主題中發布的消息類型。

（4）服務

在一些特殊的場合，節點間需要點對點的高效率通信並及時獲取應答，這個時候就需要用服務的方式進行交互。提供服務的節點叫服務端，向服務端發起請求並等待響應的節點叫客戶端，客戶端發起一次請求並得到服務端的一次響應，這樣就完成了一次服務通信過程，例如圖6中，node1向node3發起一次請求，並得到node3返回給node1的響應。服務通信過程中服務的數據類型需要用戶自己定義，與消息不同，節點並不提供標准服務類型。服務類型的定義文件都是以*.srv為擴展名，並且被放在功能包的srv/文件夾下。

ROS提供了操作服務的命令工具，這里列舉出一些常用的命令，來具體看看吧。

rosservice call </service_name> <args>：用於通過命令行參數調用服務。

rosservice find <service_type>：用於根據服務類型查詢服務。

rosservice info </service_name>：用於輸出服務信息。

rosservice list：用於列出活動服務清單。

rosservice type </service_name>：用於輸出服務類型。

rosservice uri </service_name>：用於輸出服務的ROSRPC URI。

（5）節點管理器

節點管理器（master）用於節點的名稱注冊和查找等，也負責設置節點間的通信。如果在你的整個ROS系統中沒有節點管理器，就不會有節點、消息、服務之間的通信。由於ROS本身就是一個分布式的網絡系統，所以你可以在某台計算機上運行節點管理器，在這台計算機和其他台計算機上運行節點。

ROS中提供了跟節點管理器相關的命令行工具，就是roscre。

roscore：用於啟動節點管理器，這個命令會加載ROS節點管理器和其他ROS核心組件。

（6）參數服務器

參數服務器（parameter server）能夠使數據通過關鍵詞存儲在一個系統的核心位置。通過使用參數，就能夠在節點運行時動態配置節點或改變節點的工作任務。參數服務器是可通過網絡訪問的共享的多變量字典，節點使用此服務器來存儲和檢索運行時的參數。

ROS中關於參數服務器的命令行工具，請看下面的常用命令。

rosparam list：用於列出參數服務器中的所有參數。

rosparam get <parameter_name>：用於獲取參數服務器中的參數值。

rosparam set <parameter_name> <value>：用於設置參數服務器中參數的值。

rosparam delete <parameter_name>：用於將參數從參數服務器中刪除。

rosparam dump <file>：用於將參數服務器的參數保存到一個文件。

rosparam load <file>：用於從文件將參數加載到參數服務器。

（7）消息記錄包

消息記錄包（bag）是一種用於保存和回放ROS消息數據的文件格式。消息記錄包是一種用於存儲數據的重要機制，它可以幫助記錄一些難以收集的傳感器數據，然后通過反復回放數據進行算法的性能開發和測試。ROS創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，可以像實時會話一樣在ROS中再現情景，便於算法的反復調試。

ROS提供消息記錄包相關的命令行工具，請看下面的常用命令。

rosbag <args>：用來錄制、播放和執行操作。