ROS - 架构

学习资料参考：ROS机器人开发实践(胡春旭)

ROS-架构的三个层次

OS层（linux系统）

• 依托于linux系统

中间层（实现ROS核心通信机制以及众多机器人开发的中间层）

• TCPROS/UDPROS通信系统（最重要）
  • 发布/订阅（模型）
  • 客户端/服务器（模型）
• Nodelet（进程内通信）
  • 对多进程通信提供数据传输（优化）
  • 适合对数据传输实时性方面有较高要求的应用

应用层（在ROS Master的管理下保证功能节点的正常运行）

• 管理者：MASTER
• 负责管理整个系统的正常运行

ROS-系统实现的三个层次

计算图

• 特点
  • 功能模块以节点为单位运行
  • 可以分布于多个相同或不同的主机中
  • 通过端到端的拓扑结构进行连接
• 节点
  • 一个系统由多个节点（软件模块）构成
  • 多节点同时运行时，将端到端的通信绘制成节点关系图：
    
• 消息（Message）
  • 消息通信：发布/订阅（Publish/Subscribe）模型
  • 每一个消息都是一种严格的数据结构
  • 支持标准数据类型（int,float,bool)
  • 支持嵌套结构和数组（类似结构体）
  • 可自定义
• 话题（topic）
  • 异步，适用于不断更新的含较少逻辑处理的数据通信
  • Node（Talker发布者） 针对Topic 发布Message
  • Node（Listener订阅者）关注某个Topic订阅某个特定类型的数据。
  • 发布者和订阅者彼此不知道其存在
  • 系统中可同时有多个节点发布和订阅同一个Topic的Message。
• 服务（Service）
  • 同步，适用于数据量小，但强逻辑处理的数据通信
  • 适用于双向的同步传输
  • 基于客户端/服务器（Client/Server）模型
  • 包含两个部分的通信数据通信：
  • 类似于web服务器
  • ROS只允许有一个节点提供指定命名的服务。
• 节点管理器（ROS Master）
  • 通过 远程过程调用（RPC） 提供
  1. 登记列表
  2. 对其他计算图表的查找
  • 帮助ROS节点之间
  1. 相互查找
  2. 建立连接
  • 为系统提供参数服务器（管理全局参数）

文件系统

• 功能包（Package）
• ROS软件的基本单元，包含：
  1. ROS节点
  2. 库
  3. 配置文件
• 功能包清单（Package Manifest）
  • 每一个Package包含一个名为package.xml的功能包清单，包含：
  1. 作者信息
  2. 许可信息
  3. 依赖选项
  4. 编译标志
• 元功能包（Meta Package）
  • 原功能包集（Stack）升级为元功能包
  • 组织多个用于同一目的的功能包。
    -（EXAMPLE）ROS导航的元功能包 包含：
    1. 建模
    2. 定位
    3. 导航等
  • 元功能包清单
    • 可能包含：
    1. 运行时依赖的功能包
    2. 声明引用的标签
• 消息（Message）类型
  • ROS提供的消息类型
  • 使用.msg文件在功能包的msg文件下自定义消息类型
• 服务（Service）类型
  • ROS提供的服务类型
  • 使用.srv文件在功能包的srv文件夹中进行定义
• 代码（Code）
  • 用来放置功能包节点源代码的文件夹

开源社区

• 发行版（Distribution）
• 软件源（Repository）
• ROS wiki
• 邮件列表（Mailing List）
• ROS Answers
• 博客（Blog）

关键概念：节点、消息、话题、服务、功能包、元功能包。

ROS-三种通信机制（分布式通信机制）

基于发布/订阅的话题通信

• Talker和Listener分别发布订阅同一个话题，启动顺序没有强制要求
• 建立通信详细过程：

1. advertise(“bar”,foo:1234)
2. subscribe(“bar”)
3. {foo:1234}
4. connect(“scan”, TCP)
5. TCP server:foo:2345)
6. connect(foo:2345)
7. data messages

• ROS master 起到关键的中转作用
  

基于客户端/服务器的服务通信

• 减少了talker和listener之间的RPC通信
• 建立通信详细过程

1. Advertise Service (“bar”, foo:1234)
2. lookupService(“bar”)
3. {foo:3456}
4. request data(args)
5. reply data
   

基于RPC的参数服务器（参数管理机制）

• 参数类似于ROS中的全局变量
• 建立详细过程

1. setParam(“foo”,1)
2. getParam(“foo”)
3. {foo:1}

• 特别注意: 如果Talker向Master更新参数值，Listener不重新查询数值是无法知道参数的更新。（需要动态参数更新的机制）