ROS学习笔记3：ROS架构（了解）

        笔记3不涉及实际操作，主要是用自己的语言和思路简略整理了《ROS机器人开发实践》一书第2章内容。第一次看这一章的内容会有不知道在讲什么的感觉，但这一章的内容确实对后续实践操作章节的理解有非常大的帮助。

一、ROS架构：

        ROS是一个优秀的机器人分布式框架。ROS架构的三个层次：基于Linux系统的OS层；实现ROS核心通信机制以及众多机器人开发库的中间层；在ROS Master的管理下保证功能节点的正常运行的应用层。

1.OS层：

        ROS无法直接运行在计算机硬件上，需要依托于Linux、macOS等操作系统运行。

2.中间层：

        Linux是一个通用系统，没有针对机器人开发提供的特殊中间件，因此在中间层，ROS封装了关于机器人开发的中间件，主要包括：

（1）基于TCP/UDP网络封装的TCPROS/UDPROS通信系统。

（2）一种用于进程内的通信方法Nodelet，为多进程通信提供一种更优化的数据传输方式。

（3）在通信机制上提供的大量机器人开发相关的库，如数据类型定义、坐标变换、运动控制等，可以提供给应用层使用。

3.应用层：

（1）ROS运行的管理者：Master（负责整个系统的正常运行）。

（2）功能包：ROS社区内共享了大量的机器人应用功能包，这些功能包内的模块以节点为单位运行。

二、重要概念：

        从系统实现的角度来看：ROS可分为三个层次：计算图、文件系统、开源社区。

1.计算图：

        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。

（1）节点与节点管理器：

        节点（Node，又称“软件模块”）：一些执行运算任务的进程，一个系统一般由多个节点组成。

        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。ROS Master是一个管理者，没有它节点将无法找到彼此，也无法交换消息或调用服务，整个系统也将瘫痪。

（2）消息与话题：

        消息：ROS中基于发布订阅通信机制传递的一种严格的数据结构，由节点处理消息并进行发送或接收，最终实现想要的功能。可通过rosmsg来查看关于消息的操作。

        话题：消息以一种发布/订阅（Publisher/Subcriber）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（这个节点称为发布者Talker），也可以关注某个话题并订阅特定类型的数据（这个节点称为订阅者Listener）。

       话题是发布者节点和订阅者节点之间传输数据的管道，传输的数据叫做消息。

（3）服务： 

        服务是节点之间同步通信的一种方式，其中提供服务者称为服务者节点，被服务者称为客户端节点。客户端节点（Client）可以发布请求（Request），服务者节点（Server）处理后反馈应答（Response）。catkin_ws

2.文件系统：

        类似于操作系统，ROS将所有文件按照一定的规则进行组织，不同功能的文件放在不同的文件夹下。

（1）功能包：

        功能包是ROS 软件中的基本单元，包含ROS节点、库、配置文件等。

        功能包的典型文件结构如下：

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（必须）：编译器编译功能包的规则。

10）package.xml（必须）：功能包清单。

（2）功能包清单：

        每个功能包都包含一个叫package.xml的功能包清单，用于记录功能包的基本信息。

（3）元功能包：

        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。它的主要作用是将多个功能包整合成为一个逻辑上独立的功能包，类似于集合概念。

        元功能包清单的package.xml文件相较于功能包的package.xml文件，需要包含一个引用的标签。

<export>
    <metapackage/>
</export>

（4）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。

（5）服务类型：

        服务类型定义了ROS客户端/服务器通信模型下的请求和应答数据类型，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。

（6）代码：

        用来放置功能包节点源代码的文件夹。

3.ROS文件工程结构（工作空间catkin_ws）：

        代码文件需要放置到一个固定的空间内，即工作空间。

        工作空间就是包含软件包的目录，存放工程开发相关文件。一个典型的工作空间（catkin_ws）包含以下目录：

1）src：源码空间

2）bulid：编译空间

3）devel：开发空间

4）install：安装空间

4.开源社区：

        主要是发行版，软件源，ROS wiki，邮件列表，ROS Answer，Blog。

三、ROS的通信机制：

        ROS的核心是分布式通信机制，基本通信方式分为以下三种：

1.话题通信机制（异步通信机制）：

（1）话题：

        节点间用来传输数据的重要总线，使用发布/订阅模型，数据由发布者传输到订阅者，同一个话题的订阅者或发布者可以不唯一。

（2）消息：

        消息是话题数据，具有一定的类型和数据结构，使用编程语言无关的.msg文件定义，编译过程中生成对应的代码。

（3）话题通信的三个角色：

1）发布者Talker：负责向订阅者发布数据。

2）订阅者Listener：负责接收发布者的数据。

3）管理者ROS Master：负责保管发布者和订阅者注册的信息，并匹配话题相同的发布者与订阅者，帮助发布者与订阅者建立连接。

（4）建立通信的过程：

1）Talker注册

2）Listener注册

3）ROS Master注册

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

2.服务通信机制（同步通信机制）：

（1）服务通信的三个角色：

1）客户端client：负责向服务端发送请求，并接收服务端发送的数据。

2）服务端server：负责接收处理请求，并对客户端作出相应。

3）管理者ROS Master：负责保管客户端和服务端注册的信息，并匹配话题相同的客户端与服务端，帮助客户端和服务端建立连接。

（2）建立通信的过程：

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

 

（3）对比话题通信极致机制和服务通信机制：

3.参数管理机制：

        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。

（1）参数服务器的三个角色：

1）管理者ROS Master：管理者作为一个公共的容器保存数据。

2）参数设置者Talker：参数设置者往容器中存储数据。

3）参数调用者Listener：参数调用者读取容器中所需的数据。

（2）建立通信的过程：

1）Talker设置变量

2）Listener查询参数值

3）ROS Master向Listener发送参数值