智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)計(jì)算平臺(tái)部署與測(cè)試 課件 5.3 ROS的認(rèn)知

智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)

計(jì)算平臺(tái)部署與測(cè)試項(xiàng)目五ROS的安裝與使用目錄01.C++的認(rèn)知02.Python的認(rèn)知03.ROS的認(rèn)知04.ROS的安裝05.ROS文件系統(tǒng)的構(gòu)建06.ROS通信系統(tǒng)的構(gòu)建03.ROS的認(rèn)知開(kāi)源的機(jī)器人軟件平臺(tái)任務(wù)描述大家熟悉的家用掃地機(jī)器人在作業(yè)過(guò)程中，通過(guò)APP制定的房間地圖和指定的路徑行走，完成清潔任務(wù)。想要實(shí)現(xiàn)這一系列的功能，離不開(kāi)一個(gè)能夠獲取圖形信息自主建圖以及能夠智能導(dǎo)航的系統(tǒng)。而這個(gè)系統(tǒng)恰好就像“心臟”，能夠提供一個(gè)成熟有效的管理機(jī)制和豐富的資源，讓所有模塊都能夠高效運(yùn)作起來(lái)。這個(gè)核心系統(tǒng)的研發(fā)也是機(jī)器人、無(wú)人駕駛等領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)近二十年的技術(shù)發(fā)展，機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）是目前最主流的技術(shù)框架，應(yīng)用非常廣泛。主管希望你向新同事講解ROS的主要特性與常見(jiàn)的功能工具。（1）了解ROS的概念。（2）了解ROS發(fā)行了哪些版本。了解ROS的特性。（3）能夠說(shuō)出ROS的基本構(gòu)成。（4）能夠說(shuō)出ROS版本以及對(duì)應(yīng)的Ubuntu系統(tǒng)版本。（5）獲得多途徑檢索知識(shí)、分析解決問(wèn)題以及多元化思考解決問(wèn)題的方法，形成創(chuàng)新意識(shí)。（6）具有良好的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神和較強(qiáng)的組織溝通能力。（7）具備良好的職業(yè)道德，尊重他人勞動(dòng)，不竊取他人成果。任務(wù)目標(biāo)任務(wù)準(zhǔn)備防護(hù)裝備常規(guī)實(shí)訓(xùn)著裝01教學(xué)設(shè)備安裝有ROS系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)平臺(tái)02教學(xué)工具ROS03一、概述什么是ROSROS(RobotOperatingSystem)是一個(gè)開(kāi)源的機(jī)器人軟件平臺(tái)，能為異質(zhì)計(jì)算機(jī)集群提供類(lèi)似操作系統(tǒng)的功能，包括硬件抽象描述、底層驅(qū)動(dòng)程序管理、公用功能執(zhí)行、程序間消息傳遞以及程序包發(fā)行管理等，可以極大地簡(jiǎn)化繁雜多樣的機(jī)器人平臺(tái)上的復(fù)雜任務(wù)創(chuàng)建和穩(wěn)定行為控制。ROS可以說(shuō)是?前機(jī)器?相關(guān)開(kāi)源社區(qū)最流?的項(xiàng)?之?，它是?個(gè)易?且完備的機(jī)器?開(kāi)發(fā)框架、?態(tài)乃?社區(qū)，海量的機(jī)器?開(kāi)源項(xiàng)?（涵蓋感知、規(guī)劃、控制、定位、SLAM和建圖、可視化等?乎所有機(jī)器?領(lǐng)域）均使?ROS作為基礎(chǔ)。目前，ROS的應(yīng)用領(lǐng)域除了自動(dòng)駕駛和智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)外，還包括物流倉(cāng)儲(chǔ)、工業(yè)生產(chǎn)和交通管理等。一、概述ROS發(fā)展簡(jiǎn)史ROS版本的演進(jìn)起源于2007年斯坦福大學(xué)人工智能實(shí)驗(yàn)室與機(jī)器人技術(shù)公司W(wǎng)illowGarage之間的合作，之后主要由WillowGarage來(lái)繼續(xù)研發(fā)，目前這個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)轉(zhuǎn)由開(kāi)源機(jī)器人基金會(huì)（OSRF）維護(hù)。ROS1.0版本發(fā)布于2010年，基于PR2機(jī)器人開(kāi)發(fā)了一系列機(jī)器人相關(guān)的基礎(chǔ)軟件包。一、概述ROS發(fā)展簡(jiǎn)史ROS2版本的演進(jìn)ROS2是從底層開(kāi)始全面重新開(kāi)發(fā)的新一代機(jī)器人操作系統(tǒng)，不是ROS的簡(jiǎn)單升級(jí)。它有如下特點(diǎn)：（1）?持多機(jī)器?；（2）對(duì)?型嵌?式設(shè)備和微控制器的?持；（3）實(shí)時(shí)系統(tǒng)：?持實(shí)時(shí)控制，包括進(jìn)程間和機(jī)器間通信的實(shí)時(shí)性；（4）?持?理想?絡(luò)環(huán)境：在低質(zhì)量高延遲等網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下系統(tǒng)仍然能夠?作；（5）對(duì)產(chǎn)品環(huán)境的?持的能力；（6）規(guī)范的編程模型以?持基于ROS的?規(guī)模?的構(gòu)建、開(kāi)發(fā)和部署。二、ROS的主要特點(diǎn)ROS的運(yùn)行架構(gòu)是一種使用ROS通信機(jī)制實(shí)現(xiàn)模塊間P2P松耦合協(xié)作的處理架構(gòu)。這種通訊機(jī)制包括基于服務(wù)的同步RPC通訊、基于Topic的異步數(shù)據(jù)流通訊，以及參數(shù)服務(wù)器上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等，但是ROS本身不具備實(shí)時(shí)性。精簡(jiǎn)與集成基于ROS的系統(tǒng)具有模塊化的特點(diǎn)，每個(gè)模塊都可以單獨(dú)編譯。豐富的工具包為了管理復(fù)雜的軟件框架，ROS利用大量的小工具去編譯和運(yùn)行多樣的ROS組件。開(kāi)源免費(fèi)ROS所有的源代碼都是公開(kāi)發(fā)布的，這有利于ROS各層軟件的調(diào)試和整合，不斷地改正錯(cuò)誤。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)設(shè)計(jì)ROS的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)設(shè)計(jì)以及服務(wù)和節(jié)點(diǎn)管理機(jī)制可以分散由計(jì)算機(jī)視覺(jué)和語(yǔ)音識(shí)別等功能帶來(lái)的實(shí)時(shí)計(jì)算壓力。多語(yǔ)言支持利用簡(jiǎn)單的、編程語(yǔ)言無(wú)關(guān)的接口定義語(yǔ)言去描述模塊之間的消息交互協(xié)議，支持多種不同的編程語(yǔ)言。三、ROS的總體框架文件系統(tǒng)級(jí)描述ROS程序文件如何組織和構(gòu)建計(jì)算圖級(jí)描述ROS程序如何運(yùn)行開(kāi)源社區(qū)級(jí)描述ROS程序的分布式管理ROS的總體結(jié)構(gòu)，從代碼的維護(hù)者和分布情況來(lái)分，可以主要分成兩個(gè)部分：main：核心部分，它提供了一些分布式計(jì)算的基本工具，以及整個(gè)ROS核心代碼。universe：全球范圍的代碼，由不同國(guó)家的ROS社區(qū)組織開(kāi)發(fā)和維護(hù)。這些代碼又可以分為庫(kù)級(jí)、功能級(jí)和應(yīng)用級(jí)代碼。三、ROS的總體框架計(jì)算圖級(jí)描述ROS程序如何運(yùn)行

計(jì)算圖是ROS處理數(shù)據(jù)的一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)形式。ROS程序運(yùn)行時(shí)，所有進(jìn)程以及相關(guān)的數(shù)據(jù)處理，都會(huì)通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)形式表現(xiàn)出來(lái)。計(jì)算圖級(jí)包括幾個(gè)重要概念：節(jié)點(diǎn)（node）消息（message）話(huà)題（topic）服務(wù)（service）ROS節(jié)點(diǎn)管理器（ROSMaster）三、ROS的總體框架ROS中有無(wú)數(shù)的節(jié)點(diǎn)、消息、服務(wù)、工具和庫(kù)文件，需要一個(gè)有效結(jié)構(gòu)去管理這些代碼文件。在ROS的文件系統(tǒng)級(jí)中，有兩個(gè)重要概念：文件系統(tǒng)級(jí)描述ROS程序文件如何組織和構(gòu)建包（package）ROS的軟件以包的形式組織起來(lái)，包包含節(jié)點(diǎn)、ROS依賴(lài)庫(kù)、數(shù)據(jù)文件、配置文件、第三方軟件以及任何其它的邏輯構(gòu)成。包的目標(biāo)是提供一種易于使用的結(jié)構(gòu)以便更方便地實(shí)現(xiàn)軟件復(fù)用。堆（stack）堆是包的集合，提供比包更完整的功能。堆與版本號(hào)關(guān)聯(lián)，同時(shí)也是發(fā)行ROS軟件的關(guān)鍵。開(kāi)源社區(qū)級(jí)描述ROS程序的分布式管理三、ROS的總體框架主要是指ROS資源的獲取和分享。通過(guò)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)社區(qū)，軟件開(kāi)發(fā)人員可以共享和獲取知識(shí)、算法和代碼，開(kāi)源社區(qū)的大力支持使得ROS系統(tǒng)得以快速成長(zhǎng)。這些資源包括：發(fā)行版（Distribution）軟件庫(kù)（Repository）ROS維基（ROSWiki）Bug提交系統(tǒng)（BugTicketSystem）郵件列表（Mailinglist）ROS問(wèn)答（ROSAnswer）博客（Blog）四、ROS開(kāi)發(fā)常用工具rvizGazeborqt工具TF坐標(biāo)變換rviz是ROS提供的一款三維可視化平臺(tái)，它的主要目的是以三維方式顯示ROS消息，可以將數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化表達(dá)，另一方面它還可以給對(duì)象發(fā)布控制信息，從?實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器?的監(jiān)測(cè)與控制。rviz的典型界面如圖所示：四、ROS開(kāi)發(fā)常用工具rvizGazeborqt工具TF坐標(biāo)變換gazebo是一款免費(fèi)的機(jī)器人仿真軟件，能提供高保真度的物理模擬，一整套傳感器模型，以及對(duì)用戶(hù)和程序非常友好的交互方式。啟動(dòng)后的界面如圖所示：gazebo具有如下特點(diǎn)：動(dòng)力學(xué)仿真三維可視化環(huán)境傳感器仿真可擴(kuò)展插件多種機(jī)器人模型TCP/IP傳輸云仿真終端工具四、ROS開(kāi)發(fā)常用工具rvizGazeborqt工具TF坐標(biāo)變換rqt集成了30多種工具，可以作為一個(gè)綜合的GUI工具來(lái)使用。rqt是基于Qt（一個(gè)廣泛用于計(jì)算機(jī)編程的GUI編程的跨平臺(tái)框架）開(kāi)發(fā)的，是一個(gè)圖形化用戶(hù)接口框架，它允許以插件的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)各種圖形工具和接口，因此用戶(hù)可以方便自由地開(kāi)發(fā)和添加rqt插件。四、ROS開(kāi)發(fā)常用工具rvizGazeborqt工具TF坐標(biāo)變換在Ubuntu終端上執(zhí)行命令rqt，就可以進(jìn)入rqt的圖形窗口，進(jìn)行各種管理和調(diào)試操作，如圖所示。進(jìn)入上方菜單欄的Plugins（插件），里面有很多十分有用的用于ROS調(diào)試的插件，包括：topicsmonitormessagepublishermessagetypebrowerrobotsteeringbagnode_graphprocessmonitorlaunchimageviewplottftreerviz除了在rqt菜單中選擇插件之外，還可以在Ubuntu終端上執(zhí)行專(zhuān)用的命令,也可以達(dá)到同樣的調(diào)試效果。四、ROS開(kāi)發(fā)常用工具rvizGazeborqt工具TF坐標(biāo)變換TF（TransformFrame）就是坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，包括了位置和姿態(tài)兩個(gè)方面的變換。TF軟件包實(shí)現(xiàn)ROS系統(tǒng)的坐標(biāo)變換，