ROS學習筆記二：ROS系統架構及概念

本文主要是了解ROS的系統架構、文件夾結構以及工作所需的核心文件。

ROS系統架構主要被設計和划分為三部分，每一部分代表一個層級的概念：文件系統級(The filesystem level)、計算圖級(The computation graph level)、開源社區級(The community level)。

一、理解ROS文件系統級

與其他操作系統類似，一個ROS程序的不同組件要被放在不同的文件夾下。這些文件夾是根據功能的不同來對文件進行組織的：

• 功能包（Package）：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；
• 功能包清單（Package Manifest）：功能包清單提供關於功能包、許可信息、依賴關系、編譯標志等的信息。一個包的清單有一個名為package.xml的文件管理；
• 綜合功能包（Metapackage）：將幾個具有某些功能的功能包組織在一起，就獲得了一個綜合功能包(Stack)。
• 消息類型（Message（msg） type）：消息是一個節點發送到其他節點的信息。ROS系統有很多的標准消息類型。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（Servic（src） type）：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於服務請求和響應的數據結構。

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，並且可以用來保存本地開發包，一般包含src、bulid和devel這三個文件夾。

• 源文件空間（src文件夾）：在源文件空間放置了功能包、項目、克隆包等。在這個空間中最重要的是CMakefile.txt。當你在工作空間中配置功能包時，src文件夾CMakefile.txt調用CMake。
• 編譯空間（build文件夾）：在build文件夾里，CMake和catkin為功能包和項目保存緩存信息、配置和其他中間文件。
• 開發空間（devel文件夾）：devel文件夾用來保存編譯后的程序，這些是無需安裝就能用來測試的程序。

1.2 功能包

功能包指的是一種特定的文件結構和文件夾組合。這種結果如下所示：

• include/package_name/：此目錄包含了你需要的庫的頭文件。
• msg/：如果你要開發非標准消息，請把文件放在這里。
• script/：其中包括Bash、Pytho或其他任何腳本的可執行腳本文件。
• src/：這是存儲程序源文件的地方。你可能會為節點在此創建一個文件夾。
• CMakefile.txt：這是CMake的生成文件。
• package.xml：這是功能包清單文件。

功能包的目錄結構圖如下圖所示：

CMakeLists.txt 文件的內容結構圖如下圖所示：

package.xml 文件的內容結構圖如下圖所示：

功能包還能配置launch文件，launch文件編寫規則如下圖所示：

為了創建、修改或使用功能包，ROS給我們提供了一些工具：

• rospack find [package_name] 使用此命令可以返回功能包的路徑信息
• catkin_create_pkg 用於創建一個新的功能包
• catkin_make 用於編譯工作空間
• rosdep 此命令安裝功能包的系統依賴項
• rqt_dep 用來查看功能包的依賴關系圖

若要在文件夾和功能包之間移動文件，ROS提供了非常有用的rosbash功能包，其中包含了一些非常類似於LInux命令的命令，例如：

• roscd 此命令用來更改目錄
• rosed 此命令用來編輯文件
• roscp 此命令用於從一些功能包復制文件
• roscd 此命令列出功能包的目錄
• rosls 此命令列出功能包下的文件

1.3 綜合功能包

綜合功能包是一些只有一個package.xml文件的特定包，它不包含其他文件，如代碼等。綜合功能包用於引用其他功能特性類似的功能包，例如導航包、ros_tutorials等。

如果你想定位 ros_tutorials 綜合功能包，可以使用下面的命令：

rosstack find ros_tutorials

顯示路徑為： /opt/ros/indigo/share/ros_tutorials。

1.4 消息

ROS使用了一種簡化的消息類型描述語言來描述ROS節點發布的數據值。通過這樣的描述語言，ROS能夠使用多種編程語言生成不同類型消息的源代碼。

ROS提供了很多預定義消息類型。如果你創建了一種新的消息類型，那么就要把消息的類型定義放到功能包的msg文件夾下。在該文件夾中，有用於定義各種消息的文件。這些文件都以.msg為擴展名。

消息類型必須具有兩個主要部分：字段和常量。字段定義了要在消息中傳輸的數據類型，例如int32、string或之前創建的新類型。常量用於定義字段的名稱。

在ROS中有一些處理消息的工具。例如 rosmsg 命令行工具能夠輸出消息定義信息，並可以找到使用該消息類型的源文件。

1.5 服務

ROS使用了一種簡化的服務描述語言來描述ROS的服務類型。這直接借鑒了ROS msg消息的數據格式，以實現節點之間的請求/響應通信。服務的描述存儲在功能包的 srv/ 子目錄下 .srv 文件中。

若要調用服務，你需要使用該功能包的名稱及服務名稱。例如 sample_package/srv/sample.srv 文件，可以把它稱為 sample_package1/sample1 服務。

ROS中有一些執行服務的工具。rossrv 工具能輸出服務說明、.srv 文件所在的功能包名稱，並可以找到使用某一服務類型的源代碼文件。

如果你想要在ROS中創建一個服務，可以使用服務生成器。這些工具能夠從基本的服務說明中生成代碼。你只需要在 CMakefile.txt 文件中加一行 gensrv() 命令。

二、理解ROS計算圖級

ROS會創建一個連接到所有進程的網絡。在系統中的任何節點都可以訪問此網絡，並通過該網絡與其他節點交互，獲取其他節點發布的信息，並且將自身數據發布到網絡上。如下圖所示：

在這一層級中最基本的概念包括節點、節點管理器、參數服務器、消息、服務、主題和消息記錄，這些概念都以不同的方式向計算圖級提供數據：

• 節點（Node） 節點是主要的計算執行進程。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。節點需要使用如 roscpp 或 rospy 的ROS客戶端進行編寫。
• 節點管理器（Master） 節點管理器向ROS系統中其他節點提供命名和注冊服務。它像服務一樣追蹤主題的發布者和訂閱者。節點管理器的作用是使節點之間能夠互相查找。一旦這些節點找到了彼此，就能建立點對點的通信。
• 參數服務器（Parameter Server） 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。
• 消息（Message） 節點通過消息完成彼此的溝通。消息包括一個節點發生到其他節點的信息數據。ROS中包括很多種標准類型的消息，同時你也可以基於標准消息開發自定義類型的消息。
• 主題（Topic） 每個消息都必須有一個名稱來被ROS網絡路由。每一條消息都要發布到相應的主題。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，接受來自其他節點的消息。主題的名稱必須是獨一無二的，否則在同名主題之間的消息路由就會發生錯誤。
• 服務（Service） 當你需要直接與節點通信並獲得應答時，將無法通過主題實現，從而需要服務。此外，服務必須有唯一的名稱。當一個節點提供某個服務時，所有的節點都可以通過使用ROS客戶端編寫的代碼與它通信。
• 消息記錄包（Bag） 消息記錄包是一種用於保存和回收ROS消息數據的文件格式（.bag）。它能夠獲取並記錄各種難以收集的傳感器數據。我們可以通過消息記錄包反復獲取實驗數據，進行必要的開發和算法測試。在使用復雜機器人進行實驗工作時，需要經常使用消息記錄包。

2.1 節點（Node）

ROS有另一種類型的節點，稱為 nodelet。這類特殊節點可以在單個進程中運行多個節點，其中每個 nodelet 為一個線程（輕量級進程）。這樣，可以在不使用ROS網絡的情況下與其他節點通信，通信效率更高，並避免網絡堵塞。nodelet 對於攝像頭和3D傳感器這類數據傳輸量非常大的設備特別有用。

ROS提供了處理節點的工具，如rosnode。用rosnode -h命令，可以查看此工具的所有支持命令：

• rosnode info [node_name] 輸出當前節點信息
• rosnode kill [node_name] 結束當前運行節點進程或發送給定信號
• rosnode list 列出當前活動節點
• rosnode machine hostname 列出某一特定計算機上運行的節點或列出主機名稱
• rosnode ping [node_name] 測試節點間的連通性
• rosnode cleanup 將無法訪問節點的注冊信息清除

使用某個節點時，只需要寫出包名和節點名字就可以調用節點，不需要寫路徑。

$ rosrun [package_name] [node_name]

修改節點的名字可以直接在命令行進行(同時可以運行該節點做其他任務)：

$ rosrun turtlesim turtlesim_node __name:=my_turtle

更改節點中的參數，只需要在參數名稱前添加一個下划線，例如將參數（param）就設置為浮點數9.0：

$ rosrun book_tutorials tutorialx _param:=9.0

2.2 主題（Topic）

一個主題可以有多個訂閱者也可以有多個發布者，但是需要注意用不同的節點發布同樣的主題，否則會產生沖突。

每個主題都是強類型的，發布到主題上的消息必須與主題的ROS消息類型相匹配，並且節點只能接受類型匹配的消息。節點要想訂閱主題，就必須具有相同的消息類型。

ROS的主題可以使用 TCP/IP 和 UDP 傳輸。基於 TCP 傳輸稱為 TCPROS，它使用 TCP/IP 長連接。這是ROS默認的傳輸方式。

基於 UDP 傳輸稱為 UDPROS，它是一種低延遲高效率的傳輸方式，但可能產生數據丟失。所以它適合像遠程操控的任務。

ROS有一個 rostopic 工具用於主題操作。使用rostopic -h命令，可以查看此工具的所有支持命令：

• rostopic echo [/topic_name] 將消息輸出到屏幕
• rostopic find message_type 按照類型查找主題
• rostopic info [/topic_name] 輸出活動主題、發布的主題、主題訂閱者和服務的信息
• rostopic list 輸出活動主題的列表
• rostopic pub [/topic_name] [type] [args] 將數據發布到主題。它允許我們直接從命令行中對任意主題創建和發布數據。
• rostopic type [/topic_name] 輸出主題的類型，或者說主題中發布的消息類型
• rostopic hz [/topic_name] 顯示主題的發布頻率
• rostopic bw [/topic_name] 顯示主題所使用的帶寬

2.3 服務（Service）

當你需要直接與節點通信並獲得應答時，將無法通過主題實現，從而需要服務。服務需要由用戶開發，節點並不提供標准服務。包含服務源代碼的文件存儲在 srv 文件夾中。

像主題一樣，服務關聯一個以功能包中 .srv 文件名稱來命名的服務類型。與其他基於ROS文件系統的類型一樣，服務類型是功能包名稱和 .srv 文件名稱的組合。例如 chapter2_tutorials/srv/chapter2srv1.srv 文件的服務類型是 chapter2_tutorials/chapter2srv1。

ROS關於服務的命令行工具有兩個：rossrv 和 rosservice。我們可以通過 rossrv 看到有關服務數據結構的信息，並且與 rosmsg 具有完全一致的用法。使用rosservice -h命令，可以查看此工具的所有支持命令：

• rosservice args [/service_name] 打印服務參數
• rosservice call [/service_name] args 根據命令行參數調用服務
• rosservice find [msg-type] 根據服務類型查詢服務
• rosservice info [/service_name] 輸出服務信息
• rosservice list 輸出活動服務清單
• rosservice type [/service_name] 輸出服務類型
• rosservice uri [/service_name] 輸出服務的ROSRPC URI

2.4 消息（Message）

消息的類型在ROS中按照以下標准命名方式進行約定：功能包名稱 /.msg 文件名稱。例如，std_msgs/msg/String.msg 的消息類型是 std_msgs/String。

ROS有一個 rosmsg 工具用於消息操作。使用rosmsg -h命令，可以查看此工具的所有支持命令：

• rosmsg show 顯示一條消息的字段
• rosmsg list 列出所有消息
• rosmsg package 列出功能包的所有消息
• rosmsg packages 列出所有具有該消息的功能包
• rosmsg md5 顯示一條消息的MD5求和結果

2.5 消息紀錄包

消息紀錄包是由ROS創建的一組文件。它使用 .bag 格式保存消息、主題、服務和其他ROS數據信息。你可以在事件發生后，通過使用可視化工具調用和回放數據，檢查在系統中到底發生了什么。

若要使用紀錄包文件，我們可以使用以下ROS工具：

• rosbag 用來錄制、播放和執行其他操作
• rqt_bag 用來可視化圖形環境中的數據

2.6 節點管理器

節點管理器通常使用 roscore 命令運行，它會加載ROS節點管理器及其他ROS核心組件。

2.7 參數服務器

參數服務器使用 XMLRPC 數據類型為參數賦值，包括以下類型：

• 32位整數（32-bit integer）
• 布爾值（Boolean）
• 字符串（String）
• 雙精度浮點（Double）
• 列表（List）

ROS中關於參數服務器的工具是 rosparam。使用'rosparam -h'命令，可以查看此工具的所有支持命令：

• rosparam list 列出了服務器中的所有參數
• rosparam get [parameter] 獲取參數值
• rosparam set [parameter] [value] 設置參數值
• rosparam delete [parameter] 刪除參數
• rosparam dump file 將參數服務器保存到一個文件
• rosparam load file 加載參數文件到參數服務器

三、理解ROS開源社區級

ROS開源社區級的概念主要是ROS資源，其能夠通過獨立的網絡社區分享軟件和知識。這些資源包括：

• 發行版
• 軟件庫
• ROS維基
• Bug提交系統
• 郵件列表
• ROS問答
• 博客