ROS知识（2）----理解ROS系统结构

学习新事物，方法高于技术本身，如果没有把握"BIG PICTURE"的话很难理解进去。通过以下几点进行理解ROS：

• ROS实际上不是操作系统，他只是一个通信的框架，一个代码管理的架构。任务的时序规划和CPU资源分配工作都是靠LINUX来实现，所以，ROS脱离不了LINUX，ROS依附在LINUX上。
• 机器人的核心平台是：多传感器和处理器之间的通信，处理器和执行器之间的通信，这些通信必须保持一个统一的时钟，试想如果从传感器传回来的数据时间上不同步，那就谈不上数据融合了。
• ROS主要解决了两个问题：其一，让设备间的通讯有一个统一的调度中枢（ROSCORE），通过这个中枢控制信号传递，让开发者明白机器人的活动状态。其二，代码管理的框架，让不同开发者采用不同语言进行混合开发，这样可以集成各种软件的优势协同工作，有点类似于异构系统。

 

ROS系统的架构主要被设计和划分成三部分，没一部分都代表一个层级的概念：

• 文件系统级（FileSystem Level）
• 计算图级（Computaion Graph Levell）
• 开源社区级（Community Level）

第一级是文件系统级。你将会使用这一组概念来理解ROS的内部构成，文件夹结构，以及工作所需要的核心文件。

第二级是计算图级，体现的是进程和系统之间的通信。你将会看到ROS各个概念和功能，包括建立系统，处理各类进程，与多台计算机通信等。

第三级是开源社区级。这个层级是非常重要的，因为开源社区的大力支持才使得ROS在快速的发展。

 

1、理解ROS文件系统级别

刚接触ROS，里面涉及了很多的陌生的概念，但当你理解了这些概念之后，就会轻车熟路，倍感亲切了。ROS的文件系统结构如下图所示：

                                               

• 功能包（Package）：功能包是ROS中软件组织的基本形式。一个功能包具有最小的结构和最少的内容，用于创建ROS程序。它可以包含ROS运行的进程（节点），配置文件等。
• 功能包清单（Manifest）：功能包清单提供关于功能包，许可信息，依赖关系，编译标志等的信息。功能包清单是一个manifests.xml文件，通过这个文件能够实现功能包的管理。
• 功能包集（Stack）：如果你将几个具有某些功能的功能包组织在一起，那么你将会获得一个功能包集。在ROS系统中，存在大量的不同用途的功能包集例如导航功能包集。
• 功能包集清单（Stack manifest）：功能包清单（stack.xml）提供了一个关于功能包集的清单，包括开源代码的许可证信息，与其他功能包集的依赖关系等。
• 消 息类型（Message/msg type）：消息是一个进程发送到其他进程的信息。ROS系统有许多已经定义好的标准消息，你也可以自定义消息，消息存储在对应功能包的msg文件夹下。 消息类型的说明存储在mypackage/msg/MyMessageType.msg中，也就是对应功能包的msg文件夹下。
• 服务类型（Service/srv type）：对服务类型进行描述说明的文件，在ROS系统中服务的请求和相应的数据结构，这些描述说明存储在mypackage/srv/MyServiceType.srv中，也就是对应功能能包的srv文件夹下。

下面是一个功能包的文件结构示例图：

                                             

 2、理解计算图级

 ROS会创建一个链接到所有进程的网络。在系统中的任何节点都可以访问此网络，并通过该网络与其他节点交互，获取其他就节点发布的信息，并将自身数据发布到网络上。

                                                

在该层级最基本的概念包括有节点，节点管理器，参数服务器，消息，服务，主题和消息记录包。这些概念都以不同的方式向计算图级提供数据。

• 节 点（Node）:节点是主要的计算执行进程。一个功能包可以有多个节点功能，就是说可以有多个main入口。如果你想要有一个可以与其他节点进行交互的进 程，那么需要创建一个节点，并将节点链接到ROS网络。通常情况下，系统包含能够实现不同功能的多个节点，为了减少系统的风险，最好每个节点的功能都是功 能较为单一的，而不是在系统中创建一个保罗万象的大节点。就诶点能够使用如roscpp（C++）或rospy（python）的ros客户端库进行编写 程序。
• 节点管理器（Master）：节点管理器用于节点的名称注册和查找等。如果你的整个ROS系统中没有节点管理，就不会有节点，服 务，消息之间的通信。需要注意的是，由于ROS本身是一个分布式网络系统，你可以在一台计算机上运行节点管理器，在其他计算机上运行由该管理器管理的节 点。
• 参数服务器（Parameter Server）：参数服务器能够使数据通过关键词存储在一个系统的核心位置。通过使用参数，就能在运行时配置节点或者改变节点的工作任务。
• 消息（Message）：节点通过消息完成彼此的沟通。消息包含一个节点发送到其他节点的数据信息。ROS中包含多种标准类型的消息，例如整型，字节等，同时你也可以基于标准消息开发自定义类型的消息。
• 主 题（Topic）：主题是由ROS网络对消息进行陆游和消息管理的数据总线。每条消息都发布到相应的主题。当一个节点发送数据时，我们就说该节点正在向主 题发布消息。节点可以通过订阅某个主题，接收来自其他节点的消息。一个节点可以订阅一个主题，而并不需要该节点同时发布该主题。这就保证了消息的发布者和 订阅者之间的相互解偶，完全无需知晓对方的存在。主题的名称必须是独一无二的，否则同名主题之间的消息路由就出现错误。
• 服务（Service）： 在发布主题时，正在发送的数据能够以多对多的方式交互。但当你需要从某个节点获得一个请求或应答时，就不能通过主题来实现了，在这种情况下，就需要用到服 务了，服务能够允许我们直接与某个节点进行交互。此外，服务必须有一个唯一的名称。当一个节点提供某个服务时，所有节点都可以通过使用ROS客户端库所编 写的代码与它通信。
• 消息记录包（Bag）：消息记录包是一种用于保存和回放ROS消息数据的文件格式。消息记录包是一种用于存储数据的 重要机制。他能够获取并记录各种难以收集的传感器数据。我们可以通过消息记录包反复获取实验数据，进行必要的开发和算法测试。在使用复杂机器人进行实验工 作时，需要经常使用消息记录包。

3、开源社区级

ROS开源社区的概念主要关于ROS资源，能够独立的网络社区分享软件和知识。这些资源包括：

• 发行者（Distribution）：ROS发行版是可以独立安装的，带有版本号的一系列功能包集。ROS发行版像Linux发行版一样发挥类似的作用。这使得ROS软件安装更加容易，而且能够通过一个软件集合来维持一致的版本。
• 软件源（Repositorie）：ROS依赖于共享开源代码与软件源的网站或主机服务，在这里不同的机构能够发布分享各自的机器人软件和程序。
• ROS Wiki：ROS Wiki是用于记录有关ROS系统信息的主要论坛。任何人都可以注册账户和贡献自己的文件，提供更正和更新，编写教程以及其他信息。
• 邮件列表（Mailing list）：ROS用户邮件列表是关于ROS的主要交流渠道，能够交流从ROS软件更新到ROS软件使用中的各种疑问或信息。

 

参考资料

[1]. Aaron Martinez Enrique Fern andez, ROS机器人程序设计[B], P14-42, 2014.

[2]. ROS的Big Picture理解