ROS知識點總結

一．ROS的定義

　　ROS是一個適用於機器人的開源的元操做系統。它提供相似操做系統所提供的功能，包括硬件抽象、底層設備控制、經常使用函數的實現、進程間消息傳遞以及包管理。它也提供用於獲取、編譯、編寫、跨計算機運行代碼所需的工具和庫函數。它主要採用的是鬆耦合點對點進程網絡。

　　我的理解：ROS不是一個真正的操做系統，是類操做系統，是屬於中間層的。ROS主要的目的是將硬件層抽象出來，留出接口方便開發。ROS能夠分爲框架、工具、功能和社區四大部分，其中框架主要是指分佈式管理和進程管理，工具備仿真軟件Gazebo、可視化工具Rviz和Rqt，功能有控制、規劃、定位和建圖等功能，社區指的是軟件包管理，能夠調用別人的軟件包進行項目開發，通常能夠在wiki或者github上找到資源。

　　ROS有四大優勢：1、鬆散耦合的機制方便機器人軟件框架的組織；2、很是便利的數據記錄、分析、仿真工具，方便調試；3、最豐富的機器人功能庫，方便快速搭建原型；4、學界和產業界的標準，方便學習和交流。 使用一句話總結，使用ROS，可以方便迅速地搭建好機器人原型。其實，ROS這四大優勢恰好一一對應框架、工具、功能和社區這四大部分。

 

二．ROS安裝（從底層的架構來分析爲何這樣安裝，有待理解）

　　注：apt-get install 安裝二進制，沒法修改；

　　從github下載的軟件包或者本身編寫的須要編譯才能安裝。

 

三．ROS名詞解釋

1.package(功能包)：功能包是ROS中組織軟件的主要形式，一個功能包包含多個可執行文件。

2.metapackage(功能包集)：功能包集是實現某種功能的多個功能包的集合。

3.node(節點)：節點是一個可執行文件，程序文件只有轉成成可執行文件才能夠運行。

4.topic(主題)：節點通訊方式的一種，經過publish-subscribe來實現，異步和單向的通訊。

5.message(消息)：topic通訊的數據類型，能夠理解爲二者通訊的協議。

6.service(服務)：節點通訊方式的一種，經過client-server來實現，同步和雙向的通訊。

 

四．ROS工程結構（文件系統級）

　　ROS工程結構直觀上是指圖形化界面上的文件夾以及裏面的內容，本質上是講ROS的框架。

　　首先是建立一個新的Catkin工做空間（之前叫Rubuild），也叫Catkin Workspace，這個文件夾裏面有三個文件夾，分別是src、bulid和devel，這三個文件夾分別存放pkg軟件包、中間緩存文件以及目標文件，其中src裏面的package文件是最重要的，也是最基本的組織形式，一個package裏面包含兩個必備的文件，分別是CMakeList.txt和package.xml。CMakeList.txt文件定義了編譯的規則，直接規定了這個package要依賴哪些package，要編譯生成哪些目標，如何編譯等等流程；package.xml裏面是package的自我屬性描述，在之前的Rubuild裏面叫manifest.xml，其實二者是同樣的。除此以外，還有scripts(*.py、*.cpp)、include(*.h)、src文件夾，這三個文件夾是與C++和Python有關的。有些狀況下還會有config(param)、launch文件夾和一些自定義的通訊格式（msg、srv、action）。這就是一個完整的ROS工程結構，其中是src、build和devel是必須有的，而src裏面的CMakeList.txt和package.xml也是必須有的，其餘的文件是看項目的須要而創建的。

　　總體的文件說明參考下圖4-1所示：

 

圖4-1 文件的說明

 

關於ROS的編譯過程參考下圖4-2所示：

 

圖4-2 編譯的過程

 

　　那麼對工程結構有了一個總體的認識後，咱們須要如何建立和管理這些文件，這就須要用到咱們的一些經常使用的指令來進行管理，這些指令跟LINUX裏面的指令有點相似，大部分是在LINUX指令前面加上ros。

　　其中有六個指令比較經常使用，具體的使用格式能夠查，大概有關印象。以下所示：

　　1.catkin_creat_pkg:建立一個package

　　2.roscd：跳到某個pkg 的路徑下

　　3.rosed：編輯某個pkg下的某個file文件

　　4.rosls：羅列當前包的信息

　　5.rosdep：安裝某個pkg的依賴包

　　6.rospack：rospack find package_name是尋找某個包

  　　 rospack list 顯示全部的包

　　對於ROS來講，package是最基本的組織形式，那麼這些package這麼多，應該怎麼來組織呢，這個時候就有了一個功能包集的概念，之前叫Stack，如今叫Metapackage，其實說白了就是把功能類似的功能包組織起來放在一塊兒，而後起個名字就成了Metapackage。

 

五．ROS通訊架構（計算圖級）

　　ROS的通訊架構有一個總的管家，名叫Master(節點管理器)，全部節點之間的通訊都要

經過向它註冊才能進行，因此要先啓動Master。啓動Master須要用roscore命令，執行這個命令同時也啓動rosout和parameter server。

在通訊架構裏面固然是通訊最重要，那麼就涉及到兩個概念，一個是通訊的對象——節點(node),另外一個是通訊的方式——4中方式(Topic、Service、Actionlib和Parameter Service)。

才能進行通訊。

　　Topic和Service的區別以下圖5-1：

圖5-1 Topic和Service的對比

　　Parameter Service也是通訊方式的一種，可是比較特殊，主要是由於參數服務器是節點存儲參數的地方、用於配置參數，全局共享參數。參數服務器使用互聯網傳輸，在節點管理器中運行，實現整個通訊過程。它更加靜態，有點相似字典的形式。對於參數服務器的維護有三種方法：1.命令行維護；2.launch文件維護；3.node源碼。我的理解：參數服務器是方便開發者在後續調參的時候用到的，這樣就不須要每次都要改代碼，能夠提升開發的效率。

　　Actionlib是ROS中一個很重要的庫，相似service通訊機制，actionlib也是一種請求響應機制的通訊方式，actionlib主要彌補了service通訊的一個不足，就是當機器人執行一個長時間的任務時，假如利用service通訊方式，那麼publisher會很長時間接受不到反饋的reply，導致通訊受阻。當service通訊不能很好的完成任務時候，actionlib則能夠比較適合實現長時間的通訊過程，actionlib通訊過程能夠隨時被查看過程進度，也能夠終止請求，這樣的一個特性，使得它在一些特別的機制中擁有很高的效率。我的理解：action相比service主要是在於有一個實時的回饋過程，即feedback。這個在代碼中的體現也是多了一段feedback的代碼，其餘的跟service相似，可對比來學習。

 

六．ROS工具

1. 仿真工具——Gazebo
2. 可視化工具——Rviz(3D可視化工具)、Rqt(集成圖像交互界面)
3. 命令行工具——rosbag(記錄和回放數據流)
4. 專用工具——moveit

七．ROS編程庫——roscpp、rospy

 

八．TF、URDF

 

九．參考連接

1. https://www.jianshu.com/p/0869eec39a3b (機器人操做系統ROS(一)-初識)
2. https://www.leiphone.com/news/201701/qKhqf4Rq4C6Bw0Gt.html (機器人程序設計之如何正確入門ROS) 
3. https://sychaichangkun.gitbooks.io/ros-tutorial-icourse163/content/ (中國MOOC《機器人操做系統入門》課程講義)