ROS架构

ROS基础及应用中关于ROS基本架构的一些知识点，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强逻辑处理的数据交换。

ROS架构

• ROS架构设计
  • OS层
    • 依托于Linux系统
  • 中间层
    • 基于TCPROS/UDPROS的通信系统
      • ROS通信系统基于TCP/UDP网络进行了再次封装
      • 实现了多种通信机制的数据传输
    • 进程内的通信方法——Nodelet
      • 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
    • 提供了大量机器人开发相关的库
  • 应用层
    • ROS master
      • 管理者，负责管理整个系统的正常运行
    • 机器人应用功能包
      • 包内模块以节点为单元运行，以ROS输入输出作为接口
  • 从系统实现角度看
    • 文件系统
      • 程序文件
    • 计算图
      • 程序
    • 开源社区
      • ROS资源
• 计算图
  • 从计算图角度来看
    • 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
      • 系统运行时通过端对端的拓扑结构进行连接
  • 节点
    • 一些执行运算任务的进程
    • 一个系统由多个节点组成，也称为“软件模块“””
    • 节点关系图
      • 进程就是图中节点
      • 端对端的连接关系就是节点之间的连线
      • 子主题
    • 可以使用rqt_graph命令显示ros计算图
  • 消息
    • 节点之间最重要的通信机制 基于发布/订阅模型的消息通信
    • 每一个消息都是一种严格的数据结构
    • 支持标准数据类型（整形、浮点型、布尔型）
    • 支持嵌套结构和数组
    • 根据需求由开发者自主定义
  • 话题
    • 消息以一种发布/订阅（Publish/Subscribe)的方式传递
    • 一个节点可以针对一个给定的话题（Topic）发布消息，称之为Talker/发布者
    • 节点也可以关注某个话题并订阅特定类型的数据 （订阅者/Listener）
    • 系统中可以同时有多个节点发布或者订阅同一个话题的消息
  • 服务
    • 双向的同步传输模式称为服务
      • 基于客户端/服务器（Client/Server)模型
        • 包括两个部分的通信数据类型
          • 一个用于请求
          • 一个用于应答
  • 节点管理器
    • ROS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、建立联系
      • 为系统提供参数服务器，管理全局参数
• 文件系统
  • 功能包
    • ros的基本单元
    • 包含ROS节点、库、配置文件等
    • 文件结构
      • config
        • 配置文件
      • include
        • 头文件
      • scripts
        • python
      • src
        • C++
      • launch
      • msg
      • srv
      • action
        • 自定义的动作指令
      • CMakeLists.txt
        • 编译器编译功能包的规则
      • package.xml
  • 功能包清单‘
    • package.xml
    • 记录功能包基本信息
      • 名称、版本号、信息描述、作者信息、许可信息
    • • <build_depend></build_depend>标签定义了功能包中代码编译所依赖的其他功能包
      • <run_depend></run_depend>标签定义了功能包中可执行程序运行时所依赖的其他功能包
  • 针对功能包的创建、编译、修改、运行设计了一系列命令
  • 元功能包
    • 组织多个用于同一目的的功能包
  • 元功能包清单
    • 类似功能包清单
      • 只包含一个package.xml元功能包清单文件
    • 是将多个功能包整合成为一个逻辑上独立的功能包
    • 不同在于其可能包含运行时需要的依赖功能包或者声明一些引用的标签
      • 如<export> <metapackage/> </export>
    • 元功能包不需要<build_depend>标签声明，只需要使用<run_depend>标签声明运行时依赖的功能包
  • 消息类型
    • 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
  • 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
    • 用来放置功能包节点源代码的文件夹
• 开源社区
  • 发行版（Dirtribution）
    • 一系列带有版本号、可以直接安装的功能包
  • 软件源
    • ROS依赖于共享网络上的开源代码
    • 不同组织机构可以开发活着共享自己的机器人软件
  • ROS wiki
    • 记录ROS信息文档的主要论坛
  • 邮件列表
  • ROS Answers
  • Blog
• ROS的通信机制
  • 分布式通信机制
    • ros核心
  • 话题通信机制
    • 使用最为频繁
    • 两个节点
      • 发布者Talker
      • 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
    • RPC
      • 远程过程调用协议
      • Remote Rrocedure call
    • 七步建立通信
      • Talker 注册
        • 通过1234端口使用RPC向ROS Master 注册发布者的信息
          • 包含所发布信息的话题名
      • Listener注册
        • 同样通过RPC向ROS Master注册订阅者的信息，包含需要订阅的话题名
      • ROS Mater 进行信息匹配
        • 根据Listener订阅信息从注册列表中进行查找
          • 如果没找到匹配的发布者，则等待发布者加
          • 如果找到了，则通过RPC向Listener发送Talker的RPC地址信息
      • Listener发送连接请求
        • 通过RPC向Talker发送连接请求
          • 传输订阅的话题名、消息类型、通信协议（TCP/UDP)
      • Tlaker确认连接请求
        • 包含自身的TCP地址信息
      • 使用RPC
      • Listener尝试与Talker建立网络连接
      • Talker向Listener发送话题消息数据
      • 使用TCP
    • ROS Master
      • 在节点建立连接过程中起到重要作用，但不参与节点之间最终数据传输
      • 在节点建立连接后，可以关掉ROS Master
        • 节点间数据传输不会受影响
        • 其他节点无法加入这两个节点之间的网络
  • 服务通信机制
    • 是一种带有应答的通信机制
    • 与话题通信相比，减少了Listener和Talker之间的RPC通信
    • 五步建立通信
      • Talker注册
      • Listener注册
      • ROS Master 进行信息匹配
      • 建立网络连接
      • Talker向Listener发送服务应答数据
  • 参数管理机制
    • 参数类似于ROS中的全局变量
    • 不涉及TCP/UDP的通信
    • 三步建立通信
      • Talker设置变量
        • 使用RPC向ROS Master 发送参数设置数据，包括参数名和参数值
      • Listener查询参数值
      • ROS Master 向Listener发送参数值
• 话题与服务的区别
  • 话题
    • 基于发布/订阅模型的异步通信模式
      • 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
  • 服务
    • 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强逻辑处理的数据交换