SLAM+語音機器人DIY系列：（二）ROS入門——2.ROS系統總體架構

工做空間是一個包含功能包、可編輯源文件和編譯包的文件夾，當你想同時編譯不一樣的功能包時很是有用，而且能夠保存本地開發包。固然，用戶能夠根據本身的須要建立多個工做空間，在每一個工做空間中開發不一樣用途的功能包。不過做爲學習，咱們先以一個工做空間爲例。如圖3，咱們建立了一個名爲catkin_ws的工做空間，該工做空間下會有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。這裏作一下說明，因爲ROS中的源碼採用catkin工具進行編譯，而catkin工具又是基於cmake技術的，因此咱們會在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做用。

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須要安裝就能直接運行的。一旦功能包源碼編譯和測試經過後，能夠將這些編譯好的可執行文件直接導出與其餘開發人員分享。

（2）功能包

功能包是ROS中軟件組織的基本形式，一個功能包具備用於建立ROS程序的最小結構和最少內容，它能夠包含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的標籤格式標記這個功能包的各種相關信息，好比包的名稱、依賴關係等。主要做用是爲了更容易的安裝和分發功能包。

include/<package_name>功能包頭文件目錄：你能夠把你的功能包程序包含的*.h頭文件放在這裏，include下之因此還要加一級路徑<package_name>是爲了更好的區分本身定義的頭文件和系統標準頭文件，<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，好比有些程序沒有頭文件的狀況。

msg非標準消息定義目錄：消息是ROS中一個進程（節點）發送到其餘進程（節點）的信息，消息類型是消息的數據結構，ROS系統提供了不少標準類型的消息能夠直接使用，若是你要使用一些非標準類型的消息，就須要本身來定義該類型的消息，並把定義的文件放在這裏。不過這個文件夾不是必要項，好比程序中只使用標準類型的消息的狀況。

srv服務類型定義目錄：服務是ROS中進程（節點）間的請求/響應通訊過程，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裏。若是要調用此服務，你須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，好比程序中不使用服務的狀況。

scripts可執行腳本文件存放目錄：這裏用於存放bash、python或其餘腳本的可執行文件。不過這個文件夾不是必要項，好比程序中不使用可執行腳本的狀況。

launch文件目錄：這裏用於存放*.launch文件，*.launch文件用於啓動ROS功能包中的一個或多個節點，在含有多個節點啓動的大型項目中頗有用。不過這個文件夾不是必要項，節點也能夠不經過launch文件啓動。

src功能包中節點源文件存放目錄：一個功能包中能夠有多個進程（節點）程序來完成不一樣的功能，每一個進程（節點）程序都是能夠單獨運行的，這裏用於存放這些進程（節點）程序的源文件，你能夠在這裏再建立文件夾和文件來按你的需求組織源文件，源文件能夠用c++、python等來書寫。

爲了建立、修改、使用功能包，ROS給咱們提供了一些實用的工具，經常使用的有下面這些工具。

rospack：用於獲取信息或在系統中查找工做空間。

catkin_create_pkg：用於在工做空間的src源空間下建立一個新的功能包。

catkin_make：用於編譯工做空間中的功能包。

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係圖。

關於這些工具命令的具體使用方法，會在後面的章節中結合實例進行具體的講解。這裏只是先介紹給你們，讓你們有個概念上的瞭解，感興趣的朋友也能夠本身上網瞭解這些命令的具體用法。

（3）消息

消息是ROS中一個進程（節點）發送到其餘進程（節點）的信息，消息類型是消息的數據結構，ROS系統提供了不少標準類型的消息能夠直接使用，若是你要使用一些非標準類型的消息，就須要本身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）發佈的數據值。經過這種描述語言對消息類型的定義，ROS能夠在不一樣的編程語言（如c++、python等）書寫的程序中使用此消息。不論是ROS系統提供的標準類型消息，仍是用戶自定義的非標準類型消息，定義文件都是以*.msg做爲擴展名。消息類型的定義分爲兩個主要部分：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。好比下面的一個示例消息定義文件example.msg的內容，如圖4，int3二、float3二、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

在大多數狀況下，咱們均可以使用ROS系統提供的標準類型的消息來完成任務，這得益於ROS系統提供了豐富的標準類型的消息。常常用到的類型包括：基本類型（std_msgs）、通用類型（sensor_msgs、geometry_msgs、nav_msgs、actionlib_msgs），如圖5。

（圖5）ROS系統提供的經常使用標準類型的消息

不難發現std_msgs下面定義的是經ROS封裝後的最基本的數據類型，好比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，好比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，好比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用來描述不一樣座標系之間的轉移關係，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，好比OccupancyGrid是柵格地圖的數據類型，Odometry是機器人經過輪式碼盤或其餘方式融合獲得的里程計的數據類型，Path是路徑規劃算法計算獲得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，好比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。若是想了解更多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，連接以下：

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/響應通訊過程，服務類型是服務請求/響應的數據結構。服務類型的定義借鑑了消息類型的定義方式，因此這裏就不在贅述了。區別在於，消息數據是ROS進程（節點）間多對多廣播式通訊過程當中傳遞的信息；服務數據是ROS進程（節點）間點對點的請求/響應通訊過程傳遞的信息。

2.2.從計算圖級理解ROS架構

ROS會建立一個鏈接全部進程（節點）的網絡，其中的任何進程（節點）均可以訪問此網絡，並經過該網絡與其餘進程（節點）交互，獲取其餘進程（節點）發佈的信息，並將自身數據發佈到網絡上，這個計算圖網絡中的節點（node）、主題（topic）、服務（server）等都要有惟一的名稱作標識，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，功能包中建立的每一個可執行程序在被啓動加載到系統進程中後，該進程就是一個ROS節點，如圖6中的node一、node二、node3等都是節點（node）。節點都是各自獨立的可執行文件，可以經過主題（topic）、服務（server）或參數服務器（parameter server）與其餘節點通訊。ROS經過使用節點將代碼和功能解耦，提升了系統的容錯力和可維護性。因此你最好讓每個節點都具備特定的單一的功能，而不是建立一個一應俱全的大節點。節點若是用c++進行編寫，須要用到ROS提供的庫roscpp；節點若是用python進行編寫，須要用到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、可用性等的查詢操做，例如能夠用下面的命令對正在運行的節點進行操做。

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：用於將沒法訪問節點的註冊信息清除。

（2）消息

節點經過消息（message）完成彼此的溝通。消息包含一個節點發送給其餘節點的信息數據。關於消息類型的知識在前面已經講述了，這裏就再也不展開。

ROS提供了獲取消息相關信息的命令工具，這裏列舉出一些經常使用的命令，來具體看看吧。

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

rosmsg list：用於列出全部消息。

rosmsg package <package _name>：用於列出功能包的全部消息。

rosmsg packages：用於列出全部具備該消息的功能包。

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

每一個消息都必須發佈到相應的主題（topic），經過主題來實如今ROS計算圖網絡中的路由轉發。當一個節點發送數據時，咱們就說該節點正在向主題發佈消息；節點能夠經過訂閱某個主題，接收來自其餘節點的消息。經過主題進行消息路由不須要節點之間直接鏈接，這就意味着發佈者節點和訂閱者節點之間不須要知道彼此是否存在，這樣就保證了發佈者節點與訂閱者節點之間的解耦合。同一個主題能夠有多個訂閱者也能夠有多個發佈者，不過要注意必須使用不一樣的節點發布同一個主題。每一個主題都是強類型的，不論是發佈消息到主題仍是從主題中訂閱消息，發佈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提供了操做主題的命令工具，這裏列舉出一些經常使用的命令，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>：用於顯示主題的發佈頻率。

rostopic info </topic_name>：用於輸出活動主題、發佈的主題、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>：用於經過命令行將數據發佈到主題。

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

（4）服務

在一些特殊的場合，節點間須要點對點的高效率通訊並及時獲取應答，這個時候就須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獲得服務端的一次響應，這樣就完成了一次服務通訊過程，例如圖6中，node1向node3發起一次請求，並獲得node3返回給node1的響應。服務通訊過程當中服務的數據類型須要用戶本身定義，與消息不一樣，節點並不提供標準服務類型。服務類型的定義文件都是以*.srv爲擴展名，而且被放在功能包的srv/文件夾下。

ROS提供了操做服務的命令工具，這裏列舉出一些經常使用的命令，來具體看看吧。

rosservice call </service_name> <args>：用於經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）用於節點的名稱註冊和查找等，也負責設置節點間的通訊。若是在你的整個ROS系統中沒有節點管理器，就不會有節點、消息、服務之間的通訊。因爲ROS自己就是一個分佈式的網絡系統，因此你能夠在某臺計算機上運行節點管理器，在這臺計算機和其餘臺計算機上運行節點。

ROS中提供了跟節點管理器相關的命令行工具，就是roscre。

roscore：用於啓動節點管理器，這個命令會加載ROS節點管理器和其餘ROS核心組件。

（6）參數服務器

參數服務器（parameter server）可以使數據經過關鍵詞存儲在一個系統的核心位置。經過使用參數，就可以在節點運行時動態配置節點或改變節點的工做任務。參數服務器是可經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，請看下面的經常使用命令。

rosparam list：用於列出參數服務器中的全部參數。

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，它能夠幫助記錄一些難以收集的傳感器數據，而後經過反覆回放數據進行算法的性能開發和測試。ROS建立的消息記錄包文件以*.bag爲擴展名，經過播放、中止、後退操做該文件，能夠像實時會話同樣在ROS中再現情景，便於算法的反覆調試。

ROS提供消息記錄包相關的命令行工具，請看下面的經常使用命令。

rosbag <args>：用來錄製、播放和執行操做。