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写在前面
第1章-ROS入门必备知识
1.1 ROS简介
1.2 ROS开发环境搭建
1.3 ROS系统架构
1.4 ROS调试工具
1.5 ROS节点通信
1.6 ROS其他重要概念
1.7 ROS2.0展望
第2章-C++编程范式
第3章-OpenCV图像处理
第4章-机器人传感器
第5章-机器人主机
第6章-机器人底盘
第7章-SLAM中的数学基础
第8章-激光SLAM系统
第9章-视觉SLAM系统
第10章-其他SLAM系统
第11章-自主导航中的数学基础
第12章-典型自主导航系统
第13章-机器人SLAM导航综合实战
安装完ROS后，很多朋友应该迫不及待想立马开始写程序。由于ROS的架构比较复杂，为了后面写起代码来容易理解遇到的各种概念，这里先讨论一下ROS的系统架构，好让大家对ROS中的各种概念有一个全面性把控。按照官方的说法，可以从计算图、文件系统和开源社区分别来理解ROS架构[1]p28~30。
ROS中可运行程序的基本单位叫节点（node），节点之间通过消息机制进行通信，这样就组成了一张网状图，也叫计算图，如图1-5所示。
图1-5 ROS的计算图结构
节点是可运行程序，通常也叫进程。ROS功能包中创建的每个可执行程序在被启动加载到系统进程中后，该进程就是一个ROS节点，如图1-5中的节点1、节点2、节点3等。节点之间通过收发消息进行通信，消息收发机制分为话题（topic）、服务（service）和动作（action）三种，如图1-5中的节点2与节点3、节点2与节点5采用话题通信，节点2与节点4采用服务通信，节点1与节点2采用动作通信。计算图中的节点、话题、服务、动作都要有唯一名称作为标识。ROS利用节点将代码和功能解耦，提高了系统的容错性和可维护性。所以最好让每个节点都具有特定的单一功能，而不是创建一个包罗万象的庞大节点。如果用C++编写节点，需要用到ROS提供的roscpp库；如果用Python编写节点，需要用到ROS提供的rospy库。
消息是构成计算图的关键，包括消息机制和消息类型两部分。消息机制有话题、服务和动作三种，每种消息机制中传递的数据都具有指定的数据类型（即消息类型），消息类型可分为话题消息类型、服务消息类型和动作消息类型。消息机制和消息类型将在1.5节中展开讲解。
数据包（rosbag）是ROS中专门用来保存和回放话题中数据的文件，可以将一些难以收集的传感器数据用数据包录制下来，然后反复回放来进行算法性能调试。
参数服务器（parameter server）能够为整个ROS网络中的节点提供便于修改的参数。参数可以认为是节点中可供外部修改的全局变量，有静态参数和动态参数。静态参数一般在节点启动时用于设置节点工作模式；动态参数可以用在节点运行时动态配置节点或改变节点工作状态，比如电机控制节点里的PID控制参数。
主节点（master）负责各个节点之间通信过程的调度管理。因此主节点必须要最先启动，主节点通过roscore命令来启动。
ROS程序的不同组件要放在不同的文件夹中，这些文件夹根据不同的功能对文件进行组织，这就是ROS的文件系统结构，如图1-6所示。
图1-6 ROS的文件系统结构
工作空间是一个包含功能包、编译包和编译后可执行文件的文件夹，用户可以根据自己的需要创建多个工作空间，在每个工作空间中开发不同用途的功能包。在图1-6中，我们创建了一个名为catkin_ws的工作空间，其中包含src、build和devel三个文件夹。src这个文件夹放置各个功能包和一个用于这些功能包的CMake配置文件CMakeLists.txt。这里说明一下，由于ROS中的源码采用catkin工具进行编译，而catkin工具又是基于cmake技术的，所以我们会在src源文件空间和各个功能包中都会见到一个CMake配置文件CMakeLists.txt，这个文件就是起配置编译的作用。build这个文件夹放置CMake和catkin编译功能包时产生的缓存、配置、中间文件等。devel这个文件夹放置编译好的可执行程序，这些可执行程序是不需要安装就能直接运行的。一旦功能包源码编译和测试通过后，可以将这些编译好的可执行文件直接导出与其他开发人员分享。
功能包是ROS中软件组织的基本形式，一个功能包具有用于创建ROS程序的最小结构和最少内容，它包含ROS节点源码、脚本、配置文件等。CMakeLists.txt是功能包配置文件，用于这个功能包cmake编译时的编译配置。package.xml是功能包清单文件，用xml的标签格式标记这个功能包的各类相关信息，比如包的名称、开发者信息、依赖关系等。主要作用是为了使安装和分发功能包更容易。include/<pkg_name>是功能包头文件目录，可以把你的功能包程序中包含的*.h头文件放在这里，include目录之所以还要加一级路径<pkg_name>是为了更好地区分自己定义的头文件和系统标准头文件，<pkg_name>用实际功能包的名称替代。不过这个文件夹不是必要项，比如有些程序没有头文件的情况。msg、srv和action三个文件夹分别用来存放非标准话题消息、服务消息和动作消息的定义文件，ROS支持用户自定义消息通信过程中使用的消息类型。这些自定义消息不是必要的，比如程序只使用标准消息类型的情况。scripts目录存放bash、python等脚本文件，非必须。launch目录存放节点的启动文件，*.launch文件用于启动一个或多个节点，在含有多个节点的大型项目中很有用，非必须。src目录存放功能包节点的源文件，一个功能包中可以有多个节点程序来完成不同的功能，每个节点程序都是可以单独运行的，这里用于存放这些节点程序的源文件，你可以在这里继续创建文件夹和文件来按你的需求组织源文件，源文件可以用C++、python等书写。
ROS是开源软件，各个独立的网络社区分享和贡献软件及教程，形成了强大的ROS开源社区，如图1-7所示。
图1-7 ROS的开源社区结构
ROS依赖于开源和共享的软件，这些代码由不同的机构共享和发布，比如GitHub源码共享、Ubuntu软件仓库发布、第三方库等。ROS的官方wiki是重要的文档讨论社区，在里面可以很方便地发布与修改相应的文档页面。ROS的answer主页里面有大量ROS开发者的提问和答案，对ROS开发中遇到的各种问题讨论很活跃。
Github下载：github.com/xiihoo/Books_Robot_SLAM_Navigation
Gitee下载（国内访问速度快）：gitee.com/xiihoo-robot/Books_Robot_SLAM_Navigation
【1】 张虎，机器人SLAM导航核心技术与实战[M]. 机械工业出版社，2022.
