DAY1--ROS基本认知

1.ROS基本框架

ROS架构如下图所示，可以将其分为三个层次：OS层、中间层和应用层。

1.1 应用层

应用层是用户直接交互的部分，包含以下核心组件：

• Master：
  ROS的核心协调者，负责节点（Node）的注册、发现和通信管理。节点启动时向Master注册自身信息（如话题、服务名称），Master帮助节点建立直接连接（如发布者-订阅者）。

• Node：
  节点的多个实例，代表系统中的独立功能单元。每个节点负责执行特定任务（如传感器数据处理、运动控制），通过ROS通信机制（话题、服务、动作）与其他节点交互。

• ...：
  表示应用层可能包含的其他组件，如可视化工具（Rviz）、仿真环境（Gazebo）或用户自定义的功能包。

1.2 中间层

中间层是ROS的核心功能实现层，提供通信、编程接口和优化机制：

• ClientLibrary：
  ROS客户端库（如roscpp、rospy、roslisp），为开发者提供编程接口。这些库封装了ROS通信的底层细节，简化节点的开发。

• TCPROS/UDPROS：

• --TCPROS：基于TCP协议的通信方式，提供可靠、有序的数据传输，适用于大多数场景（如传感器数据流）。

• --UDPROS：基于UDP协议的通信方式，支持低延迟、高效率的数据传输，适用于实时性要求高的场景（如控制指令）。
  节点间通过这两种协议直接通信（无需Master转发），Master仅负责初始连接的建立。

• Nodelet API：
  用于在同一进程中运行多个节点（Nodelet），避免进程间通信的开销，显著提升数据密集型任务（如图像处理）的性能。

1.3 OS层

OS层是ROS运行的底层操作系统支持：

• Linux：
  ROS1主要依赖Linux（尤其是Ubuntu），其底层功能（如进程管理、网络通信、硬件驱动）由Linux操作系统提供。ROS2已扩展支持更多操作系统（如Windows、macOS），但传统ROS1架构通常与Linux深度绑定。

2.功能包

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：编译器编译功能包的规则。
10）package.xml：功能包清单

3.ROS常用命令

3.1话题通信机制

在ROS中有两个节点：一个是发布者Talker，另一个是订阅者
Listener。两个节点分别发布、订阅同一个话题，启动顺序没有强制要
求，此处假设Talker首先启动，可分成图中所示的七步来分析建立通信
的详细过程。

• 1.Talker注册
  Talker启动，通过1234端口使用RPC向ROS Master注册发布者的信息，包含所发布消息的话题名；ROS Master会将节点的注册信息加入注册列表中。

• 2.Listener注册
  Listener启动，同样通过RPC向ROS Master注册订阅者的信息，包含需要订阅的话题名。

• 3.ROS Master进行信息匹配
  Master根据Listener的订阅信息从注册列表中进行查找，如果没有找到匹配的发布者，则等待发布者的加入；如果找到匹配的发布者信息，则通过RPC向Listener发送Talker的RPC地址信息。

• 4.Listener发送连接请求
  Listener接收到Master发回的Talker地址信息，尝试通过RPC向Talker发送连接请求，传输订阅的话题名、消息类型以及通信协议
  （TCP/UDP）。

• 5.Talker确认连接请求
  Talker接收到Listener发送的连接请求后，继续通过RPC向Listener确认连接信息，其中包含自身的TCP地址信息。

• 6.Listener尝试与Talker建立网络连接
  Listener接收到确认信息后，使用TCP尝试与Talker建立网络连接。

• 7.Talker向Listener发布数据
  成功建立连接后，Talker开始向Listener发送话题消息数据。

从上面的分析中可以发现，前五个步骤使用的通信协议都是RPC，最后发布数据的过程才使用到TCP。ROS Master在节点建立连接的过程中起到了重要作用，但是并不参与节点之间最终的数据传输。节点建立连接后，可以关掉ROS Master，节点之间的数据传输并不会受到影响，但是其他节点也无法加入这两个节点之间的网络。

3.2服务通信机制

服务是一种带有应答的通信机制，通信原理如下图所示。与话题的通信相比，其减少了Listener与Talker之间的RPC通信。

• 1.Talker注册
  Talker启动，通过1234端口使用RPC向ROS Master注册发布者的信息，包含所提供的服务名；ROS Master会将节点的注册信息加入注册列表中。

• 2.Listener注册
  Listener启动，同样通过RPC向ROS Master注册订阅者的信息，包含需要查找的服务名。

• 3.ROS Master进行信息匹配
  Master根据Listener的订阅信息从注册列表中进行查找，如果没有找到匹配的服务提供者，则等待该服务的提供者加入；如果找到匹配的服务提供者信息，则通过RPC向Listener发送Talker的TCP地址信息。

• 4.Listener与Talker建立网络连接
  Listener接收到确认信息后，使用TCP尝试与Talker建立网络连接，并且发送服务的请求数据。

• 5.Talker向Listener发布服务应答数据
  Talker接收到服务请求和参数后，开始执行服务功能，执行完成后，向Listener发送应答数据。