五年级下册四单元分数的意义与性质

第一章初识ROS

ROS特点

1. 点对点的设计

节点间的通信消息通过一个带有发布和订阅功能的RPC传输系统

2. 多语言支持

ROS被设计成为一种语言弱相关的框架结构

目前已经支持Python、C++、Java、Octave和LISP等

3. 架构精简、集成度高

非ROS问题：在已有繁杂的机器人应用中，软件的复用性是一个巨大的问题

ROS优点： ROS框架具有的模块化特点使得每个功能节点可以进行单独编译，并且使用统一的消息接口让模块的移植、复用更加便捷

4. 组件化工具包丰富

ROS定义的接口在其中显示机器人3D模型、周围环境地图、机器人导航路线

5. 免费并且开源

ROS遵照的BSD许可给使用者较大的自由，允许其修改和重新发布其中的应用代码，甚至可以进行商业化的开发与销售

ROS安装

版本选择

ROS目前主要支持Ubuntu操作系统，同时也可以在OS X、Android、Arch、Debian等系统上运行 ROS也针对ARM处理器编译了核心库和部分功能包

安装方法

软件源安装

软件源（Repository）为系统提供了一个庞大的应用程序仓库，只要通过简单的命令即可从仓库中找到需要的软件并完成下载安装

源码编译安装

源码编译的方法相对复杂，需要手动解决繁杂的软件依赖关系，更适合那些对系统比较熟悉而且希望在未支持的平台上安装ROS的开发者

软件源

更换软件源

添加ROS软件源

sources.list是Ubuntu系统保存软件源地址的文件，位于/etc/apt目录下在这一步中我们需要将ROS的软件源地址添加到该文件中，确保后续安装可以正确找到ROS相关软件的下载地址。

ROS官方源

sudo sh -c 'echo "deb http://packages.ros.org/ros/ubuntu $(lsb_release -sc) main" > /etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list'

中科大USTC

sudo sh -c '. /etc/lsb-release && echo "deb http://mirrors.ustc.edu.cn/ros/ubuntu/ $DISTRIB_CODENAME main" > /etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list'

中山大学

sudo sh -c '. /etc/lsb-release && echo "deb http://mirror.sysu.edu.cn/ros/ubuntu/ $DISTRIB_CODENAME main" > /etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list'

添加密钥

sudo apt-key adv --keyserver 'hkp://keyserver.ubuntu.com:80' --recv-key C1CF6E31E6BADE8868B172B4F42ED6FBAB17C654

ROS安装

首先确保之前的软件源修改得以更新

$ sudo apt-get update

版本选择

版本对应关系

桌面完整版安装（Desktop-Full）

除了包含ROS的基础功能（核心功能包、构建工具和通信机制）外，还包含丰富的机器人通用函数库、功能包（2D/3D感知功能、机器人地图建模、自主导航等）以及工具（rviz可视化工具、gazebo仿真环境、rqt工具箱等）

命令： sudo apt-get install ros-kinetic-desktop-full

桌面版安装（Desktop）

该版本是完整安装的精简版，去掉了机器人功能包和部分工具，仅包含ROS基础功能、机器人通用函数库、rqt工具箱和rviz可视化工具

命令： sudo apt-get install ros-kinetic-desktop

基础版安装（ROS-Base）

基础版精简了机器人通用函数库、功能包和工具，仅保留了没有任何GUI的基础功能（核心功能包、构建工具和通信机制）。因此该版本软件的规模最小，也是ROS需求的“最小系统”，非常适合直接安装在对性能和空间要求较高的控制器之上，为嵌入式系统使用ROS提供了可能

命令： sudo apt-get install ros-kinetic-ros-base

独立功能包安装（Individual Package）

后期安装包使用

命令： sudo apt-get install ros-kinetic-PACKAGE

PACKAGE代表需要安装的功能包名

初始化rosdep（首次安装无需）

rosdep是ROS中自带的工具，主要功能是为某些功能包安装系统依赖，同时也是某些ROS核心功能包必须用到的工具。完成以上安装步骤后，需要使用以下命令进行初始化和更新：

命令

sudo rosdep init rosdep update

设置环境变量

描述：默认在/opt路径下。在后续使用中，由于会频繁使用终端输入ROS命令，所以在使用之前还需要对环境变量进行简单设置

终端设置

bash（ubuntu默认）

echo "source /opt/ros/melodic/setup.bash" >> ~/.bashrc source ~/.bashrc

zsh

echo "source /opt/ros/melodic/setup.zsh" >> ~/.zshrc source ~/.zshrc

多版本共存

命令： source /opt/ros/ROS-RELEASE/setup.bash

ROS-RELEASE代表希望使用的ROS版本（如lunar、kinetic、indigo、hydro、groovy等）

终极方法是打开～/.bashrc或者～/.zshrc文件，找到设置环境变量的命令，然后修改对应的ROS版本

验证安装

查看版本：rosversion -d

启动rosMaster：roscore

ROS架构

架构设计

架构图

OS层

ROS并不是一个传统意义上的操作系统，无法像Windows、Linux一样直接运行在计算机硬件之上，而是需要依托于Linux系统

中间层

ROS并不是一个传统意义上的操作系统，无法像Windows、Linux一样直接运行在计算机硬件之上，而是需要依托于Linux系统 ROS的通信系统基于TCP/UDP网络，在此之上进行了再次封装，也就是TCPROS/UDPROS。通信系统使用发布/订阅、客户端/服务器等模型，实现多种通信机制的数据传输。

ROS还提供一种进程内的通信方法——Nodelet：可以为多进程通信提供一种更优化的数据传输方式，适合对数据传输实时性方面有较高要求的应用。

可以为多进程通信提供一种更优化的数据传输方式，适合对数据传输实时性方面有较高要求的应用。

应用层

ROS需要运行一个管理者——Master，负责管理整个系统的正常运行

功能包内的模块以节点为单位运行，以ROS标准的输入输出作为接口，开发者不需要关注模块的内部实现机制，只需要了解接口规则即可实现复用，极大地提高了开发效率

实现角度

三个层次：文件系统、计算图和开源社区

计算图

作用

描述程序是如何运行的

从计算图的角度来看，ROS系统软件的功能模块以节点为单位独立运行，可以分布于多个相同或不同的主机中，在系统运行时通过端对端的拓扑结构进行连接

节点

节点（Node）就是一些执行运算任务的进程，一个系统一般由多个节点组成，也可以称为“软件模块”

消息

节点之间最重要的通信机制就是基于发布/订阅模型的消息（Message）通信

每一个消息都是一种严格的数据结构，支持标准数据类型（整型、浮点型、布尔型等），也支持嵌套结构和数组（类似于C语言的结构体struct），还可以根据需求由开发者自主定义

话题

适用范围：单向传输

消息以一种发布/订阅（Publish/Subscribe）的方式传递

发布者和订阅者并不了解彼此的存在，系统中可能同时有多个节点发布或者订阅同一个话题的消息

服务

适用范围：双向传输

基于客户端/服务器（Client/Server）模型

包含两个部分的通信数据类型：一个用于请求，另一个用于应答，类似于Web服务器

特点：与话题不同的是，ROS中只允许有一个节点提供指定命名的服务

标注

节点管理器

ROS Master通过远程过程调用（RPC）提供登记列表和对其他计算图表的查找功能，帮助ROS节点之间相互查找、建立连接，同时还为系统提供参数服务器，管理全局参数

文件系统

结构图

功能包（Package）

功能包是ROS软件中的基本单元，包含ROS节点、库、配置文件

1）config：放置功能包中的配置文件，由用户创建，文件名可以不同。 2）include：放置功能包中需要用到的头文件。 3）scripts：放置可以直接运行的Python脚本。 4）src：放置需要编译的C++代码。 5）launch：放置功能包中的所有启动文件。 6）msg：放置功能包自定义的消息类型。 7）srv：放置功能包自定义的服务类型。 8）action：放置功能包自定义的动作指令。 9）CMakeLists.txt：编译器编译功能包的规则。 10）package.xml：功能包清单

功能包清单（Package Manifest）

每个功能包都包含一个名为package. xml的功能包清单，用于记录功能包的基本信息，包含作者信息、许可信息、依赖选项、编译标志等。

服务（Service）类型

服务类型定义了ROS客户端/服务器通信模型下的请求与应答数据类型，可以使用ROS系统提供的服务类型，也可以使用．srv文件在功能包的srv文件夹中进行定义。

代码（Code）

用来放置功能包节点源代码的文件夹。

消息（Message）类型

消息是ROS节点之间发布/订阅的通信信息，可以使用ROS提供的消息类型，也可以使用．msg文件在功能包的msg文件夹下自定义所需要的消息类型。

元功能包（Meta Package）

元功能包是一种特殊的功能包，只包含一个package.xml元功能包清单文件

在新版本的ROS中，将原有功能包集（Stack）的概念升级为“元功能包”，主要作用都是组织多个用于同一目的的功能包

需要包含一个引用的标签

开源社区

关系图

发行版（Distribution）

类似于Linux发行版，ROS发行版包括一系列带有版本号、可以直接安装的功能包，这使得ROS的软件管理和安装更加容易，而且可以通过软件集合来维持统一的版本号

软件源（Repository）

ROS依赖于共享网络上的开源代码，不同的组织机构可以开发或者共享自己的机器人软件

ROS wiki

记录ROS信息文档的主要论坛。所有人都可以注册、登录该论坛，并且上传自己的开发文档、进行更新、编写教程

邮件列表（Mailing List）

ROS Answers

博客（Blog）

标注

问题梳理

什么是节点？

节点就是一些直行运算任务的进程。ROS利用规模可增长的方式是代码模块化

话题和服务通信的异同点有哪些？

话题与服务的区别

概括

1. 话题是ROS中基于发布/订阅模型的异步通信模式，这种方式将信息的产生和使用双方解耦，常用于不断更新的、含有较少逻辑处理的数据通信

2. 服务多用于处理ROS中的同步通信，采用客户端/服务器模型，常用于数据量较小但有强逻辑处理的数据交换。

ROS Master在系统中的作用是什么？

ROS Master

需要有一个控制器可以使所有节点有条不紊的执行，这就是一个ROS的控制器（ROS Master）

RPC（Remote Procedure Call Protocol，远程过程调用）：提供了登记列表和对其他计算图表的查找

话题通信中有哪七个步骤？

相比话题通信，服务通信少了哪几个步骤？

ROS参数管理时有没有用到TCP/UDP通信？

ROS通讯

ROS Master

需要有一个控制器可以使所有节点有条不紊的执行，这就是一个ROS的控制器（ROS Master）

RPC（Remote Procedure Call Protocol，远程过程调用）：提供了登记列表和对其他计算图表的查找

话题通信机制

描述：一个是发布者Talker，另一个是订阅者Listener。两个节点分别发布、订阅同一个话题，启动顺序没有强制要求

通讯图

步骤

1．Talker注册

2．Listener注册

3．ROS Master进行信息匹配

4．Listener发送连接请求

5．Talker确认连接请求

6．Listener尝试与Talker建立网络连接

7．Talker向Listener发布数据

服务通信机制

描述：服务通信机制，与话题的通信相比，其减少了Listener与Talker之间的RPC通信

通讯图

步骤

1．Talker注册

2．Listener注册

3．ROS Master进行信息匹配

4．Listener与Talker建立网络连接

5．Talker向Listener发布服务应答数据

话题与服务的区别

概括

1. 话题是ROS中基于发布/订阅模型的异步通信模式，这种方式将信息的产生和使用双方解耦，常用于不断更新的、含有较少逻辑处理的数据通信

2. 服务多用于处理ROS中的同步通信，采用客户端/服务器模型，常用于数据量较小但有强逻辑处理的数据交换。

参数管理机制

描述：参数类似于ROS中的全局变量，由ROS Master进行管理，其通信机制较为简单，不涉及TCP/UDP的通信

通讯图

步骤

1．Talker设置变量

2．Listener查询参数值

3．ROS Master向Listener发送参数值

ROS基本操作

控制小乌龟运动

安装包

sudo apt-get install ros-kinetic-turtlesim

运行ROS Master

roscore

运行turtlesim仿真器

rosrun turtlesim turtlesim_node

运行键盘控制节点

rosrun turtlesim turtle_teleop_key

工作空间

创建工作空间

$ mkdir -p ～/catkin_ws/src $ cd ～/catkin_ws/src $ catkin_init_workspace

编译工作空间

$ cd ～/catkin_ws/ $ catkin_make

添加环境变量

临时（当前shell有效）

$ source devel/setup.bash

永久

echo"source /WORKSPACE/devel/setup.bash" >> ～/.bashrc

查看环境变量是否生效

$ echo $ROS_PACKAGE_PATH

功能包

描述

package.xml文件提供了功能包的元信息，也就是描述功能包属性的信息

CMakeLists. txt文件记录了功能包的编译规则

ROS不允许在某个功能包中嵌套其他功能包，多个功能包必须平行放置在代码空间中

创建命令

$ catkin_create_pkg <package_name> [depend1] [depend2] [depend3]

设置环境变量

$ cd ～/catkin_ws $ catkin_make $ source ～/catkin_ws/devel/setup.bash

话题实现

创建Publisher

创建Subscriber

编译功能包

运行

服务实现

创建server

创建client

编译功能包

运行

本章内容

1. 工作空间和功能包的创建

2. 集成开发环境的搭建

3. 话题和服务的实现方法

4. ROS中的命名空间及解析方法

5. ROS分布式通信的方法

ROS常用组件

launch启动文件

通过XML文件实现多节点的配置和启动

简单launch结构

根元素

launch文件中的根元素采用<launch>标签定义，文件中的其他内容都必须包含在这个标签中

节点

常用属性

pkg：定义节点所在的功能包名称

type：定义节点的可执行文件名称

这两个属性等同于在终端中使用rosrun命令执行节点时的输入参数

name：属性用来定义节点运行的名称，将覆盖节点中init()赋予节点的名称

其他属性

output = "screen"

将节点的标准输出打印到终端屏幕，默认输出为日志文档

ns = "namespace"

命名空间，为节点内的相对名称添加命名空间前缀

args = "arguments"

节点需要的输入参数

参数设置

<param>

运行launch文件后，output_frame这个parameter的值就设置为odom，并且加载到ROS参数服务器上了

<rosparam>可以帮助我们将一个YAML格式文件中的参数全部加载到ROS参数服务器中，需要设置command属性为“load”，还可以选择设置命名空间“ns”

<arg>

argument是另外一个概念，类似于launch文件内部的局部变量，仅限于launch文件使用，便于launch文件的重构，与ROS节点内部的实现没有关系

语法

例子

重映射机制

重映射的机制，简单来说就是取别名

将/ turtlebot /cmd_vel重映射为/cmd_vel

嵌套复用

在复杂的系统中，launch文件往往有很多，这些launch文件之间也会存在依赖关系。如果要直接复用一个已有launch文件中的内容，可以使用<include>标签包含其他launch文件，这与C语言中的include几乎是一样的

运行launch

roslaunch learning_launch turtlesim_parameter_config.launch

TF坐标变换

管理机器人系统中繁杂的坐标系变换关系

tf_monitor

打印TF树中所有坐标系的发布状态

$ tf_monitor $ tf_monitor <source_frame> <target_target>

tf_echo

tf_echo工具的功能是查看指定坐标系之间的变换关系

$ tf_echo <source_frame> <target_frame>

static_transform_publisher

发布两个坐标系之间的静态坐标变换，这两个坐标系不发生相对位置变化

$ static_transform_publisher x y z yaw pitch roll frame_id child_frame_id period_in_ms $ static_transform_publisher x y z qx qy qz qw frame_id child_frame_id period_in_ms

view_frames

可视化的调试工具，可以生成pdf文件，显示整棵TF树的信息

$ rosrun tf view_frames

Qt工具箱

提供多种机器人开发的可视化工具，如日志输出、计算图可视化、数据绘图、参数动态配置等功能

安装Qt工具

sudo apt-get install ros-melodic-rqt sudo apt-get install ros-melodic-rqt-common-plugins

子主题

rviz三维可视化平台

实现机器人开发过程中多种数据的可视化显示

gazebo仿真环境

创建仿真环境并实现带有物理属性的机器人仿真

rosbag数据记录与回放

记录并回放ROS系统中运行时的所有话题信息

平台搭建

机器人组成

子主题

主题

机器人建模与仿真

URDF

描述

URDF（Unified Robot Description Format，统一机器人描述格式）是ROS中一个非常重要的机器人模型描述格式

ROS同时也提供URDF文件的C++解析器，可以解析URDF文件中使用XML格式描述的机器人模型。

XML标签

<link>标签

用于描述机器人某个刚体部分的外观和物理属性，包括尺寸（size）、颜色（color）、形状（shape）、惯性矩阵（inertial matrix）、碰撞参数（collision properties）等

link结构图

语法

<visual>标签用于描述机器人link部分的外观参数，<inertial>标签用于描述link的惯性参数，而<collision>标签用于描述link的碰撞属性

<joint>标签

<joint>标签用于描述机器人关节的运动学和动力学属性，包括关节运动的位置和速度限制

分类

语法

● <calibration>：关节的参考位置，用来校准关节的绝对位置。 ● <dynamics>：用于描述关节的物理属性，例如阻尼值、物理静摩擦力等，经常在动力学仿真中用到。 ● <limit>：用于描述运动的一些极限值，包括关节运动的上下限位置、速度限制、力矩限制等。 ● <mimic>：用于描述该关节与已有关节的关系。 ● <safety_controller>：用于描述安全控制器参数。

<robot>标签

描述

<robot>是完整机器人模型的最顶层标签，<link>和<joint>标签都必须包含在<robot>标签内。

语法

<gazebo>标签

描述

用于描述机器人模型在Gazebo中仿真所需要的参数，包括机器人材料的属性、Gazebo插件等

语法

<gazebo reference="link_1"> <material>Gazebo/Black</material> </gazebo>

主题

中心主题

理论基础

SLAM描述

机器人在未知的环境中从一个未知位置开始移动，移动过程中根据位置估计和地图进行自身定位，同时建造增量式地图，实现机器人的自主定位和导航

常见传感器

激光雷达

优点：精度高，响应快，数据量小

缺点：成本高

摄像头

单目摄像头

这种方案的传感器简单，适用性强，但是实现的复杂度较高，而且单目摄像头在静止状态下无法测量距离，只有在运动状态下才能根据三角测量等原理感知距离

双目摄像头

这种方案无论是在运动状态下还是在静止状态下，都可以感知距离信息，但是两个摄像头的标定较为复杂，大量的图像数据也会导致运算量较大

RGB-D摄像头

可以像摄像头一样获取环境的RGB图像信息，也可以通过红外结构光、Time-of-Flight等原理获取每个像素的深度信息

优点：丰富的数据，成本较低

缺点：测量视野窄、盲区大、噪声大

主题

ROS学习

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