ROS学习笔记二：ROS系统架构及概念

本文主要是了解ROS的系统架构、文件夹结构以及工作所需的核心文件。

ROS系统架构主要被设计和划分为三部分，每一部分代表一个层级的概念：文件系统级(The filesystem level)、计算图级(The computation graph level)、开源社区级(The community level)。

一、理解ROS文件系统级

与其他操作系统类似，一个ROS程序的不同组件要被放在不同的文件夹下。这些文件夹是根据功能的不同来对文件进行组织的：

• 功能包（Package）：功能包是ROS中软件组织的基本形式。一个功能包具有用于创建ROS程序的最小结构和最少内容。它可以包含ROS运行的进程（节点）、配置文件等；
• 功能包清单（Package Manifest）：功能包清单提供关于功能包、许可信息、依赖关系、编译标志等的信息。一个包的清单有一个名为package.xml的文件管理；
• 综合功能包（Metapackage）：将几个具有某些功能的功能包组织在一起，就获得了一个综合功能包(Stack)。
• 消息类型（Message（msg） type）：消息是一个节点发送到其他节点的信息。ROS系统有很多的标准消息类型。消息类型的说明存储在对应功能包的msg文件夹下。
• 服务类型（Servic（src） type）：服务描述说明存储在对应功能包的src文件夹下，定义了在ROS中由每个进程提供的关于服务请求和响应的数据结构。

1.1 工作空间

工作空间就是一个包含功能包、可编辑源文件或编译包的文件夹。当想同时编译不同的功能包时非常有用，并且可以用来保存本地开发包，一般包含src、bulid和devel这三个文件夹。

• 源文件空间（src文件夹）：在源文件空间放置了功能包、项目、克隆包等。在这个空间中最重要的是CMakefile.txt。当你在工作空间中配置功能包时，src文件夹CMakefile.txt调用CMake。
• 编译空间（build文件夹）：在build文件夹里，CMake和catkin为功能包和项目保存缓存信息、配置和其他中间文件。
• 开发空间（devel文件夹）：devel文件夹用来保存编译后的程序，这些是无需安装就能用来测试的程序。

1.2 功能包

功能包指的是一种特定的文件结构和文件夹组合。这种结果如下所示：

• include/package_name/：此目录包含了你需要的库的头文件。
• msg/：如果你要开发非标准消息，请把文件放在这里。
• script/：其中包括Bash、Pytho或其他任何脚本的可执行脚本文件。
• src/：这是存储程序源文件的地方。你可能会为节点在此创建一个文件夹。
• CMakefile.txt：这是CMake的生成文件。
• package.xml：这是功能包清单文件。

功能包的目录结构图如下图所示：

CMakeLists.txt 文件的内容结构图如下图所示：

package.xml 文件的内容结构图如下图所示：

功能包还能配置launch文件，launch文件编写规则如下图所示：

为了创建、修改或使用功能包，ROS给我们提供了一些工具：

• rospack find [package_name] 使用此命令可以返回功能包的路径信息
• catkin_create_pkg 用于创建一个新的功能包
• catkin_make 用于编译工作空间
• rosdep 此命令安装功能包的系统依赖项
• rqt_dep 用来查看功能包的依赖关系图

若要在文件夹和功能包之间移动文件，ROS提供了非常有用的rosbash功能包，其中包含了一些非常类似于LInux命令的命令，例如：

• roscd 此命令用来更改目录
• rosed 此命令用来编辑文件
• roscp 此命令用于从一些功能包复制文件
• roscd 此命令列出功能包的目录
• rosls 此命令列出功能包下的文件

1.3 综合功能包

综合功能包是一些只有一个package.xml文件的特定包，它不包含其他文件，如代码等。综合功能包用于引用其他功能特性类似的功能包，例如导航包、ros_tutorials等。

如果你想定位 ros_tutorials 综合功能包，可以使用下面的命令：

rosstack find ros_tutorials

显示路径为： /opt/ros/indigo/share/ros_tutorials。

1.4 消息

ROS使用了一种简化的消息类型描述语言来描述ROS节点发布的数据值。通过这样的描述语言，ROS能够使用多种编程语言生成不同类型消息的源代码。

ROS提供了很多预定义消息类型。如果你创建了一种新的消息类型，那么就要把消息的类型定义放到功能包的msg文件夹下。在该文件夹中，有用于定义各种消息的文件。这些文件都以.msg为扩展名。

消息类型必须具有两个主要部分：字段和常量。字段定义了要在消息中传输的数据类型，例如int32、string或之前创建的新类型。常量用于定义字段的名称。

在ROS中有一些处理消息的工具。例如 rosmsg 命令行工具能够输出消息定义信息，并可以找到使用该消息类型的源文件。

1.5 服务

ROS使用了一种简化的服务描述语言来描述ROS的服务类型。这直接借鉴了ROS msg消息的数据格式，以实现节点之间的请求/响应通信。服务的描述存储在功能包的 srv/ 子目录下 .srv 文件中。

若要调用服务，你需要使用该功能包的名称及服务名称。例如 sample_package/srv/sample.srv 文件，可以把它称为 sample_package1/sample1 服务。

ROS中有一些执行服务的工具。rossrv 工具能输出服务说明、.srv 文件所在的功能包名称，并可以找到使用某一服务类型的源代码文件。

如果你想要在ROS中创建一个服务，可以使用服务生成器。这些工具能够从基本的服务说明中生成代码。你只需要在 CMakefile.txt 文件中加一行 gensrv() 命令。

二、理解ROS计算图级

ROS会创建一个连接到所有进程的网络。在系统中的任何节点都可以访问此网络，并通过该网络与其他节点交互，获取其他节点发布的信息，并且将自身数据发布到网络上。如下图所示：

在这一层级中最基本的概念包括节点、节点管理器、参数服务器、消息、服务、主题和消息记录，这些概念都以不同的方式向计算图级提供数据：

• 节点（Node） 节点是主要的计算执行进程。最好让每一个节点都具有特定的单一的功能，而不是创建一个包罗万象的大节点。节点需要使用如 roscpp 或 rospy 的ROS客户端进行编写。
• 节点管理器（Master） 节点管理器向ROS系统中其他节点提供命名和注册服务。它像服务一样追踪主题的发布者和订阅者。节点管理器的作用是使节点之间能够互相查找。一旦这些节点找到了彼此，就能建立点对点的通信。
• 参数服务器（Parameter Server） 参数服务器是可通过网络访问的共享的多变量字典。节点使用此服务器来存储和检索运行时的参数。
• 消息（Message） 节点通过消息完成彼此的沟通。消息包括一个节点发生到其他节点的信息数据。ROS中包括很多种标准类型的消息，同时你也可以基于标准消息开发自定义类型的消息。
• 主题（Topic） 每个消息都必须有一个名称来被ROS网络路由。每一条消息都要发布到相应的主题。当一个节点发送数据时，我们就说该节点正在向主题发布消息。节点可以通过订阅某个主题，接受来自其他节点的消息。主题的名称必须是独一无二的，否则在同名主题之间的消息路由就会发生错误。
• 服务（Service） 当你需要直接与节点通信并获得应答时，将无法通过主题实现，从而需要服务。此外，服务必须有唯一的名称。当一个节点提供某个服务时，所有的节点都可以通过使用ROS客户端编写的代码与它通信。
• 消息记录包（Bag） 消息记录包是一种用于保存和回收ROS消息数据的文件格式（.bag）。它能够获取并记录各种难以收集的传感器数据。我们可以通过消息记录包反复获取实验数据，进行必要的开发和算法测试。在使用复杂机器人进行实验工作时，需要经常使用消息记录包。

2.1 节点（Node）

ROS有另一种类型的节点，称为 nodelet。这类特殊节点可以在单个进程中运行多个节点，其中每个 nodelet 为一个线程（轻量级进程）。这样，可以在不使用ROS网络的情况下与其他节点通信，通信效率更高，并避免网络堵塞。nodelet 对于摄像头和3D传感器这类数据传输量非常大的设备特别有用。

ROS提供了处理节点的工具，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] 输出当前节点信息
• rosnode kill [node_name] 结束当前运行节点进程或发送给定信号
• rosnode list 列出当前活动节点
• rosnode machine hostname 列出某一特定计算机上运行的节点或列出主机名称
• rosnode ping [node_name] 测试节点间的连通性
• rosnode cleanup 将无法访问节点的注册信息清除

使用某个节点时，只需要写出包名和节点名字就可以调用节点，不需要写路径。

$ rosrun [package_name] [node_name]

修改节点的名字可以直接在命令行进行(同时可以运行该节点做其他任务)：

$ rosrun turtlesim turtlesim_node __name:=my_turtle

更改节点中的参数，只需要在参数名称前添加一个下划线，例如将参数（param）就设置为浮点数9.0：

$ rosrun book_tutorials tutorialx _param:=9.0

2.2 主题（Topic）

一个主题可以有多个订阅者也可以有多个发布者，但是需要注意用不同的节点发布同样的主题，否则会产生冲突。

每个主题都是强类型的，发布到主题上的消息必须与主题的ROS消息类型相匹配，并且节点只能接受类型匹配的消息。节点要想订阅主题，就必须具有相同的消息类型。

ROS的主题可以使用 TCP/IP 和 UDP 传输。基于 TCP 传输称为 TCPROS，它使用 TCP/IP 长连接。这是ROS默认的传输方式。

基于 UDP 传输称为 UDPROS，它是一种低延迟高效率的传输方式，但可能产生数据丢失。所以它适合像远程操控的任务。

ROS有一个 rostopic 工具用于主题操作。使用rostopic -h命令，可以查看此工具的所有支持命令：

• rostopic echo [/topic_name] 将消息输出到屏幕
• rostopic find message_type 按照类型查找主题
• rostopic info [/topic_name] 输出活动主题、发布的主题、主题订阅者和服务的信息
• rostopic list 输出活动主题的列表
• rostopic pub [/topic_name] [type] [args] 将数据发布到主题。它允许我们直接从命令行中对任意主题创建和发布数据。
• rostopic type [/topic_name] 输出主题的类型，或者说主题中发布的消息类型
• rostopic hz [/topic_name] 显示主题的发布频率
• rostopic bw [/topic_name] 显示主题所使用的带宽

2.3 服务（Service）

当你需要直接与节点通信并获得应答时，将无法通过主题实现，从而需要服务。服务需要由用户开发，节点并不提供标准服务。包含服务源代码的文件存储在 srv 文件夹中。

像主题一样，服务关联一个以功能包中 .srv 文件名称来命名的服务类型。与其他基于ROS文件系统的类型一样，服务类型是功能包名称和 .srv 文件名称的组合。例如 chapter2_tutorials/srv/chapter2srv1.srv 文件的服务类型是 chapter2_tutorials/chapter2srv1。

ROS关于服务的命令行工具有两个：rossrv 和 rosservice。我们可以通过 rossrv 看到有关服务数据结构的信息，并且与 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] 打印服务参数
• rosservice call [/service_name] args 根据命令行参数调用服务
• rosservice find [msg-type] 根据服务类型查询服务
• rosservice info [/service_name] 输出服务信息
• rosservice list 输出活动服务清单
• rosservice type [/service_name] 输出服务类型
• rosservice uri [/service_name] 输出服务的ROSRPC URI

2.4 消息（Message）

消息的类型在ROS中按照以下标准命名方式进行约定：功能包名称 /.msg 文件名称。例如，std_msgs/msg/String.msg 的消息类型是 std_msgs/String。

ROS有一个 rosmsg 工具用于消息操作。使用rosmsg -h命令，可以查看此工具的所有支持命令：

• rosmsg show 显示一条消息的字段
• rosmsg list 列出所有消息
• rosmsg package 列出功能包的所有消息
• rosmsg packages 列出所有具有该消息的功能包
• rosmsg md5 显示一条消息的MD5求和结果

2.5 消息纪录包

消息纪录包是由ROS创建的一组文件。它使用 .bag 格式保存消息、主题、服务和其他ROS数据信息。你可以在事件发生后，通过使用可视化工具调用和回放数据，检查在系统中到底发生了什么。

若要使用纪录包文件，我们可以使用以下ROS工具：

• rosbag 用来录制、播放和执行其他操作
• rqt_bag 用来可视化图形环境中的数据

2.6 节点管理器

节点管理器通常使用 roscore 命令运行，它会加载ROS节点管理器及其他ROS核心组件。

2.7 参数服务器

参数服务器使用 XMLRPC 数据类型为参数赋值，包括以下类型：

• 32位整数（32-bit integer）
• 布尔值（Boolean）
• 字符串（String）
• 双精度浮点（Double）
• 列表（List）

ROS中关于参数服务器的工具是 rosparam。使用'rosparam -h'命令，可以查看此工具的所有支持命令：

• rosparam list 列出了服务器中的所有参数
• rosparam get [parameter] 获取参数值
• rosparam set [parameter] [value] 设置参数值
• rosparam delete [parameter] 删除参数
• rosparam dump file 将参数服务器保存到一个文件
• rosparam load file 加载参数文件到参数服务器

三、理解ROS开源社区级

ROS开源社区级的概念主要是ROS资源，其能够通过独立的网络社区分享软件和知识。这些资源包括：

• 发行版
• 软件库
• ROS维基
• Bug提交系统
• 邮件列表
• ROS问答
• 博客