基于ROS的智能汽車設計與實訓教程第八章

8.1話題Node在ROS的世界里，最小的進程單元就是節(jié)點（node）。一個軟件包里可以有多個可執(zhí)行文件，可執(zhí)行文件在運行之后就成了一個進程(process)，這個進程在ROS中就叫作節(jié)點。從程序角度來說，node就是一個可執(zhí)行文件（通常為C++編譯生成的可執(zhí)行文件、Python腳本），被執(zhí)行并加載到了內存之中；從功能角度來說，通常一個node負責著機器人的某一個單獨的功能。由于機器人的功能模塊非常復雜，我們往往不會把所有功能都集中到一個node上，而會采用分布式的方式，把雞蛋放到不同的籃子里。18.1話題Master由于機器人的元器件很多，功能龐大，因此實際運行時往往會運行眾多的node，這些node負責感知世界、控制運動、決策和計算等功能。那么如果要進行調配、管理這些node的話，就要利用ROS提供給我們的節(jié)點管理器master,master在整個網(wǎng)絡通信架構里相當于管理中心，管理著各個node。node首先在master處進行注冊，之后master會將該node納入整個ROS程序中。node之間的通信也是先由master進行“牽線”，才能兩兩的進行點對點通信。當ROS程序啟動時，第一步首先啟動master，由節(jié)點管理器處理依次啟動node。28.1

話題啟動master和node當我們要啟動ROS時，首先輸入命令:$roscore此時ROSmaster啟動，同時啟動的還有rosout和parameterserver,其中rosout是負責日志輸出的一個節(jié)點，其作用是告知用戶當前系統(tǒng)的狀態(tài)，包括輸出系統(tǒng)的error、warning等等，并且將log記錄于日志文件中，parameterserver即是參數(shù)服務器，它并不是一個node，而是存儲參數(shù)配置的一個服務器。每一次我們運行ROS的節(jié)點前，都需要把master啟動起來，這樣才能夠讓節(jié)點啟動和注冊。啟動master之后，節(jié)點管理器就開始按照系統(tǒng)的安排協(xié)調進行啟動具體的節(jié)點。節(jié)點就是一個進程，只不過在ROS中它被賦予了專用的名字里——node。我們知道一個package中存放著可執(zhí)行文件，可執(zhí)行文件是靜態(tài)的，當系統(tǒng)執(zhí)行這些可執(zhí)行文件，將這些文件加載到內存中，它就成為了動態(tài)的node。具體啟動node的語句是：$rosrunpkg_namenode_name3通常我們運行ROS，就是按照上面的順序啟動，有時候節(jié)點太多，我們會選擇用launch文件來啟動。Master、Node之間以及Node之間的關系如圖所示。8.1話題4機器人是一個系統(tǒng)工程，通常一個機器人運行操作時要開啟很多個node，對于一個復雜的機器人的啟動操作并不需要每個節(jié)點依次進行rosrun，ROS為我們提供了一個命令能一次性啟動master和多個node。該命令是：$ roslaunchpkg_namefile_name.launchroslaunch命令首先會自動進行檢測系統(tǒng)的roscore有沒有運行，也即是確認節(jié)點管理器是否在運行狀態(tài)中，如果master沒有啟動，那么roslaunch就會首先啟動master，然后再按照launch的規(guī)則執(zhí)行。8.1

話題launch文件58.1話題ROS的通信方式是ROS最為核心的概念，ROS系統(tǒng)的精髓就在于它提供的通信架構。ROS的通信方式有以下四種：Topic話題Service服務ParameterService參數(shù)服務器Actionlib動作庫ROS中的通信方式中，topic是常用的一種。對于實時性、周期性的消息，使用topic來傳輸是最佳的選擇。topic是一種點對點的單向通信方式，這里的“點”指的是node，也就是說node之間可以通過topic方式來傳遞信息。Topic68.1話題topic要經(jīng)歷下面幾步的初始化過程：首先，publisher節(jié)點和subscriber節(jié)點都要到節(jié)點管理器進行注冊，然后publisher會發(fā)布topic，subscriber在master的指揮下會訂閱該topic，從而建立起sub-pub之間的通信。注意整個過程是單向的。Topic78.1話題ROS是一種分布式的架構，一個topic可以被多個節(jié)點同時發(fā)布，也可以同時被多個節(jié)點接收。比如在這個場景中用戶可以再加入一個圖像顯示的節(jié)點，如果想看攝像頭節(jié)點的畫面，則可以用自己的筆記本連接到機器人上的節(jié)點管理器，然后在自己的電腦上啟動圖像顯示節(jié)點。這就體現(xiàn)了分布式系統(tǒng)通信的好處：擴展性好、軟件復用率高?？偨Y三點：（1）topic通信方式是異步的，發(fā)送時調用publish()方法，發(fā)送完成立即返回，不用等待反饋。（2）subscriber通過回調函數(shù)的方式來處理消息。（3）topic可以同時有多個subscribers，也可以同時有多個publishers。ROS中這樣的例子有：/rosout、/tf等等。8Message8.1

話題Message按照定義解釋就是topic內容的數(shù)據(jù)類型，也稱之為topic的格式標準。這里和我們平常用到的Massage直觀概念有所不同，這里的Message不單單指一條發(fā)布或者訂閱的消息，也指定為topic的格式標準。基本的msg包括bool、int8、int16、int32、int64(以及uint)、float、float64、string、time、duration、header、可變長數(shù)組array[]、固定長度數(shù)組array[C]。9上一節(jié)我們介紹了ROS的通信方式中的topic(話題)通信，我們知道topic是ROS中的一種單向的異步通信方式。然而有些時候單向的通信滿足不了通信要求，比如當一些節(jié)點只是臨時而非周期性的需要某些數(shù)據(jù)，如果用topic通信方式時就會消耗大量不必要的系統(tǒng)資源，造成系統(tǒng)的低效率高功耗。這種情況下，就需要有另外一種請求-查詢式的通信模型。這節(jié)我們來介紹ROS通信中的另一種通信方式——service(服務)。8.2

服務108.2

服務service方式在通信模型上與topic做了區(qū)別。Service通信是雙向的，它不僅可以發(fā)送消息，同時還會有反饋。所以service包括兩個部分，一部分是請求方（Clinet），另一部分則是應答方/服務提供方（Server）。這時請求方（Client）就會發(fā)送一個request，要等待server處理，反饋回一個reply，這樣通過類似“請求-應答”的機制完成整個服務通信。118.2

服務Service是同步通信方式，所謂同步就是說，此時NodeA發(fā)布請求后會在原地等待reply，直到NodeB處理完了請求并且完成了reply，NodeA才會繼續(xù)執(zhí)行。NodeA等待過程中，是處于阻塞狀態(tài)的成通信。這樣的通信模型沒有頻繁的消息傳遞，沒有沖突與高系統(tǒng)資源的占用，只有接受請求才執(zhí)行服務，簡單而且高效。名稱TopicService通信方式異步通信同步通信實現(xiàn)原理TCP/IPTCP/IP通信模型Publish-SubscribeRequest-Reply映射關系Publish-Subscribe(多對多)Request-Reply（多對一）特點接受者收到數(shù)據(jù)會回調（Callback）遠程過程調用（RPC）服務器端的服務應用場景連續(xù)、高頻的數(shù)據(jù)發(fā)布偶爾使用的功能/具體的任務舉例激光雷達、里程計發(fā)布數(shù)據(jù)開關傳感器、拍照、計算topic和service對比128.2

服務在實際應用中，service通信方式的命令時rosservice具體的命令參數(shù)如下表：rosservice命令作用rosservicelist顯示服務列表rosserviceinfo打印服務信息rosservicetype打印服務類型rosserviceuri打印服務ROSRPCurirosservicefind按服務類型查找服務rosservicecall使用所提供的args調用服務rosserviceargs打印服務參數(shù)138.2

服務

類似msg文件，srv文件是用來描述服務（service數(shù)據(jù)類型的，service通信的數(shù)據(jù)格式定義在*.srv中。它聲明了一個服務，包括請求(request)和響應（reply）兩部分。rosservice具體的命令參數(shù)如下表：rosservice命令作用rosservicelist顯示服務列表rosserviceinfo打印服務信息rosservicetype打印服務類型rosserviceuri打印服務ROSRPCurirosservicefind按服務類型查找服務rosservicecall使用所提供的args調用服務rosserviceargs打印服務參數(shù)148.3

動作Actionlib是ROS中一個很重要的庫，類似service通信機制，actionlib也是一種請求響應機制的通信方式，actionlib主要彌補了service通信的一個不足，就是當機器人執(zhí)行一個長時間的任務時，假如利用service通信方式，那么publisher會很長時間接受不到反饋的reply，致使通信受阻。當service通信不能很好的完成任務時候，actionlib則可以比較適合實現(xiàn)長時間的通信過程，actionlib通信過程可以隨時被查看過程進度，也可以終止請求，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。

Action的工作原理是client-server模式，也是一個雙向的通信模式。通信雙方在ROSActionProtocol下通過消息進行數(shù)據(jù)的交流通信。client和server為用戶提供一個簡單的API來請求目標或通過函數(shù)調用和回調來執(zhí)行目標。

客戶端會向服務器發(fā)送目標指令和取消動作指令,而服務器則可以給客戶端發(fā)送實時的狀態(tài)信息,結果信息,反饋信息等等,從而完成了service沒法做到的部分。158.3

動作利用動作庫進行請求響應，動作的內容格式應包含三個部分：目標、反饋、結果。（1）目標機器人執(zhí)行一個動作，應該有明確的移動目標信息，包括一些參數(shù)的設定，方向、角度、速度等等。從而使機器人完成動作任務。（2）反饋在動作進行的過程中，應該有實時的狀態(tài)信息反饋給服務器的實施者，告訴實施者動作完成的狀態(tài)，可以使實施者作出準確的判斷去修正命令。（3）結果當運動完成時，動作服務器把本次運動的結果數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端，使客戶端得到本次動作的全部信息，例如可能包含機器人的運動時長，最終姿勢等等。168.4

參數(shù)參數(shù)服務器是特殊的“通信方式”。特殊點在于參數(shù)服務器是節(jié)點存儲參數(shù)的地方、用于配置參數(shù)，全局共享參數(shù)。參數(shù)服務器使用互聯(lián)網(wǎng)傳輸，在節(jié)點管理器中運行，實現(xiàn)整個通信過程。參數(shù)服務器，其作為ROS中另外一種重要的數(shù)據(jù)傳輸方式，有別于topic和service，它更加的靜態(tài)。參數(shù)服務器維護著一個數(shù)據(jù)字典，字典里存儲著各種參數(shù)和配置。178.4

參數(shù)字典簡介

何為字典，其實就是一個個的鍵值對，我們小時候學習語文的時候，常常都會有一本字典，當遇到不認識的字了我們可以查部首查到這個字，獲取這個字的讀音、意義等等，而這里的字典可以對比理解記憶。鍵值kay可以理解為語文里的“部首”這個概念，每一個key都是唯一的。每一個key不重復，且每一個key對應著一個value。也可以說字典就是一種映射關系，在實際的項目應用中，因為字典的這種靜態(tài)的映射特點，我們往往將一些不常用到的參數(shù)和配置放入?yún)?shù)服務器里的字典里，這樣對這些數(shù)據(jù)進行讀寫都將方便高效。188.5

信息通信過程運行主節(jié)點節(jié)點之間的消息通信當中，管理連接信息的主節(jié)點是為使用ROS必須首先運行的必需元素。ROS主節(jié)點使用roscore命令來運行，并使用XMLRPC運行服務器。主節(jié)點為了節(jié)點與節(jié)點的連接，會注冊節(jié)點的名稱、話題、服務、動作名稱、消息類型、URI地址和端口，并在有請求時將此信息通知給其他節(jié)點。198.5

信息通信過程運行訂閱者節(jié)點訂閱者節(jié)點使用rosrun或roslaunch命令來運行。訂閱者節(jié)點在運行時向主節(jié)點注冊其訂閱者節(jié)點名稱、話題名稱、消息類型、URI地址和端口。主節(jié)點和節(jié)點使用XMLRPC進行通信。208.5

信息通信過程運行發(fā)布者節(jié)點發(fā)布者節(jié)點（與訂閱者節(jié)點類似）使用rosrun或roslaunch命令來運行。發(fā)布者節(jié)點向主節(jié)點注冊發(fā)布者節(jié)點名稱、話題名稱、消息類型、URI地址和端口。主節(jié)點和節(jié)點使用XMLRPC進行通信。218.5

信息通信過程通知發(fā)布者信息主節(jié)點向訂閱者節(jié)點發(fā)送此訂閱者希望訪問的發(fā)布者的名稱、話題名稱、消息類型、URI地址和端口等信息。主節(jié)點和節(jié)點使用XMLRPC進行通信。228.5

信息通信過程訂閱者節(jié)點的連接請求訂閱者節(jié)點根據(jù)從主節(jié)點接收的發(fā)布者信息，向發(fā)布者節(jié)點請求直接連接。在這種情況下，要發(fā)送的信息包括訂閱者節(jié)點名稱、話題名稱和消息類型。發(fā)布者節(jié)點和訂閱者節(jié)點使用XMLRPC進行通信。238.5

信息通信過程發(fā)布者節(jié)點的連接響應發(fā)布者節(jié)點將TCP服務器的URI地址和端口作