初识ROS

Myth丶恋晨 2023-09-28 12:42 8阅读 0赞

需要用到ROS，就来学学ROS。作为小白一个，文章难免出错，请各位海涵。帮我多多指错。这篇文章的目的是让新手对于ROS有个简单的认识，讲的基本都是概念上的东西。希望这篇文章能够解释清楚以下几个问题：  
  1.ROS是什么/ROS能干什么？  
  2.ROS的基础结构是什么？  
  3.ROS部分专有名词的解释：ROS节点(node)、节点管理器(master)、参数服务器(parameter server)、消息(message)、话题(topic)、服务(service)、消息记录包(bag)

#### 1.ROS是什么/ROS能干什么？ ####

ROS全称是Robot Operating System，也就是机器人操作系统。从字面上就知道是帮助我们操作机器人的。但和Linux这种底层的os不同，ROS是基于底层os的，也就是在Linux之上，可以理解成在Linux之上做了封装以便于可以直接调用那些用于操作机器人的各种包。ROS的有几个版本，对应的也有不同的Linux环境(网上一查都有，不是重点，在此不再赘述。不过笔者用的是kinetic对应的就是ubuntu16.04啦~)。  
  那ROS有什么好处呢？为什么要用ROS呢？这要从ROS的设计目标谈起：ROS便于机器人研发中的代码复用，是一种分布式的进程框架，核心在于可以同步或者异步传递消息数据的中间件框架。简单点儿说就是ROS的模块性和复用性特别好，这样开发者就可以专注于主逻辑的设计。也有点儿像拼积木(积木块已经被造好)。我觉得另一个优势是：ROS使用简化的类型描述语言描述ros发布的数据，通过这种描述语言，ros可以使用多种编程语言(C++ PYTHON java matlab)编写不同节点，实现节点间的通信(不局限于一种，可太棒了！)

对于ROS能干什么？其实我觉得就是用来开发机器人吧。现在各种机器人无论是UAV、UGV其实都是基于ROS上在做开发滴。要想让robot做点儿个性化的事情，ROS应该是要学滴。而且ROS现在已经被认定为了一个标准(好消息：开源！)。

#### 2.ROS的基础结构是什么？ ####

先不关与ROS具体有什么，先从宏观上给它打个样儿。ROS的体系结构大致有三部分：ROS文件系统、ROS计算图、ROS社区  
  **ROS文件系统**：文件系统其实就是ROS文件的组织结构，了解了文件系统就会知道程序执行到哪步时调用了哪个文件。文件系统有很多基础性的概念：package、manifest。  
  **ROS计算图**：计算图相当于ROS运行的机制，包括节点如何通信等等。有的地方也叫做计算网络，所有节点都可以连入这个网络中进行通信。我觉得这个是ROS的最核心部分吧。设计的概念包括：node、master、message、topic、service  
  **ROS社区**：很少看到有把社区放在架构里面的，但ROS目前看来像一个完全开源的东西。开源项目就需要社区去维护，可能最开始设计定下的基调就是这样吧。  
(上文提到了很多概念，我在下文都会一一解释)

#### 3.ROS概念解释(按照结构划分说了) ####

##### package(功能包) #####

package其实可以算组织ROS代码的一个基本单位。ROS中package更多指的是代码包。如果说最大的应该算workspace(工作空间)，工作空间内包括代码空间(src，放实现应用的主要代码可以是cpp/py)，编译空间(build，主要是编译环境catkin\_make之后基本不用管)，开发空间(devel,保存编译完的包)，安装空间(install，这个通过命令生成以后基本用不到了)。package也就是代码空间下的一个基本单位。一个应用对应于一个package。ROS利用package实现模块性和复用性  
  package的结构如下图(因为只是介绍基本概念，所以就不详细说各个文件的作用了~)  
![在这里插入图片描述][e89508348da14772baf2d822faf8402f.png]

图源：[ROS学习笔记（一） ROS文件系统\_我本傲骄的博客-CSDN博客][ROS_ ROS_-CSDN]

##### manifest #####

全称叫package manifest，为package之间提供依赖性。其中保存的是package的一些基本信息：版本、维护者、依赖选项、编译标志等等。落实到具体文件就是package里面那个package.xml

##### metapackage(元功能包) #####

metapackage是比package高一个级别的概念，是package的集合。以前也叫stack，现在以及废弃

##### metapackage manifest #####

这个比manifest高一个级别，功能类似于manifest，只不过是针对于metapackage

##### node(节点) #####

ROS整体上是一个分布式的架构，也就是有很多个节点组成。或许也可以说成ROS的基本动作执行单位，可以为节点分配任务。同一个workspace下不能有同名节点(这样无法确定)，但不同工作空间下可以有同名节点  
作为一个整体，节点之间也要有相互的协作。ROS有自己的通信机制，下面介绍一下：  
  ROS的通信手段有两种：消息传递、服务调用

##### message(消息)/topic(主题) #####

message就对应于消息传递，但消息不能直接就传过去。要借助载体：也就是topic(可以理解为管道)。如果一个节点想发送消息，就要选择一个topic(这个topic可以是自己创造的或者是别人创造的)，选topic发message这个动作就是pulish(发布)。如果想接受消息，也要通过topic。而这个动作叫做subscribe(订阅)。两个节点根据动作，分别称为publisher和subscriber。

##### server(服务) #####

server对应于服务调用，不过server受众小一点儿。单指两个节点之间。服务调用的流程是：client节点发送request给server节点，server节点执行处理后，发送response给client节点  
  那消息传递和服务调用有什么区别呢？  
    1）服务调用实现一对一，消息传递实现多对多。服务调用只是两方之间，消息传递中同一个topic可以有多个发布者和多个订阅者(也有一个限制：两个发布者发布的同名消息，类型必须一致)  
    2）服务调用(双向)，消息传递(单向)。服务中发送方会等待接收方的response，而消息传递中发布者发送完就不再管这个消息了——单向传输系统(有点儿像计网中TCP和UDP，其实在ROS中叫rostcp/rosudp)  
    3）服务调用是同步的，消息传递是异步的。所以在消息传递过程中常常设置队列作为缓冲区来调节发送速率。  
    4）topic常用于数据传输，而service常用于逻辑处理。

##### master(节点管理器) #####

节点多了总要有个头儿，master就是负责管理所有节点。它会掌管与各个节点之间有关的topic、service信息列表。虽然说有管理者，但通信时消息直接从发布节点到订阅节点，中间不经过节点管理器。ROS参数服务器是节点管理器的一部分，所有节点都可访问修改数据(数据/配置信息)。所有例子中先roscore一下，启动的就是master。但如果两个节点已经通过master建立了联系，并开始进行了通信。这时关掉master是不会影响两个节点的通信的。master只在建立连接时起到作用。

##### bag(消息记录包) #####

一个包是ROS中用于存储ROS 消息数据的文件格式。即保存和回放ROS消息数据的文件格式。包的扩展名为.bag。当使用复杂机器人时，采集数据较为繁琐。就可以通过bag保存一次数据，后面的仿真时可以回放bag中的数据达到同样的目的。

这里解释一个例子：判断ros是否安装成功都会使用一个小乌龟移动的例子，那为什么小海龟可以移动呢？这个过程是这样的：  
/teleop\_turtle 节点会以消息的形式将这些运动控制命令发布到 话题/turtle1/cmd\_vel； 与此同时，因为turtlesim\_node 订阅了该话题，因此它会接收到这个些消息，控制海龟按照该预定的速度移动

参考资料：

[ROS入门学习 - coding-for-self - 博客园(cnblogs.com)][ROS_ - coding-for-self - _cnblogs.com]  
[ROS核心概念、工作空间 和 功能包。ROS学习资源\_Bruce’s blog-CSDN博客][ROS_ _ _ROS_Bruce_s blog-CSDN]

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[ROS_ ROS_-CSDN]: https://blog.csdn.net/qq_42780025/article/details/108451663?spm=1001.2101.3001.6650.1&utm_medium=distribute.pc_relevant.none-task-blog-2~default~CTRLIST~default-1.no_search_link&depth_1-utm_source=distribute.pc_relevant.none-task-blog-2~default~CTRLIST~default-1.no_search_link
[ROS_ - coding-for-self - _cnblogs.com]: https://www.cnblogs.com/longjiang-uestc/p/9940046.html
[ROS_ _ _ROS_Bruce_s blog-CSDN]: https://blog.csdn.net/qq_37788383/article/details/102561937?utm_medium=distribute.pc_relevant.none-task-blog-2~default~baidujs_title~default-0.no_search_link&spm=1001.2101.3001.4242.1