Apollo进阶课程㊱丨Apollo ROS深入介绍
原文鏈接：進(jìn)階課程?丨Apollo ROS深入介紹?
ROS是一個(gè)強(qiáng)大而靈活的機(jī)器人編程框架，從軟件構(gòu)架的角度說，它是一種基于消息傳遞通信的分布式多進(jìn)程框架。ROS本身是基于消息機(jī)制的，可以根據(jù)功能把軟件拆分成為各個(gè)模塊，每個(gè)模塊只是負(fù)責(zé)讀取和分發(fā)消息，模塊間通過消息關(guān)聯(lián)。
上周阿波君為大家詳細(xì)介紹了「進(jìn)階課程? | Apollo ROS原理—4」。
主要講解五個(gè)比較基礎(chǔ)的方面：第一是ROS Services；第二是ROS Actions；第三是ROS Time；第四是ROS Bags；第五是調(diào)試工具。
本周阿波君將繼續(xù)與大家分享Apollo ROS的相關(guān)課程。下面，我們一起進(jìn)入進(jìn)階課程第36期。
目前ROS僅適用于Apollo 3.0之前的版本，最新代碼及功能還請(qǐng)參照Apollo 3.5及5.0版本。
目錄
1. ROS Packages
2. Eclipse下編譯ROS基本工程
3.通過hello world了解ROS基本的運(yùn)行邏輯
4. ROS提供的日志系統(tǒng)
5. ROS提供的subscriber和publisher功能
6. ROS除了message的另外兩種通信方式
6.1 service
6.2 parameter
7.ROS的可視化工具RViz
本節(jié)內(nèi)容主要介紹ROS中一些不是特別常見的屬性。
1. ROS Packages
創(chuàng)建一個(gè)ROS開發(fā)環(huán)境和寫一個(gè)C++工程有點(diǎn)類似，通過catkin create可以創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的工程。其中的文件組織方式如上圖所示，包括：
- SRC存放源文件；
- MSG存放節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信的消息定義；
- SRV存放節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行服務(wù)通信的時(shí)候的服務(wù)定義；
- CONFIG存放配置文件相關(guān)的信息；
- INCLUDE存放頭文件相關(guān)的信息；
- Launch存放節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)和它相關(guān)的節(jié)點(diǎn)之間的啟動(dòng)文件。
上面介紹的package組織方式只是官方推薦的一種組織方式，使用catkin build編譯，當(dāng)source完環(huán)境變量之后，通過Ros提供的命令比如ROS run或者ROS launch啟動(dòng)時(shí)，package name可以自動(dòng)補(bǔ)全，package里面包含的節(jié)點(diǎn)或者launch文件也是可以自動(dòng)尋找，所以官方推薦使用這種組織方式。
DEVEL和BUILD這兩個(gè)目錄是build時(shí)自動(dòng)產(chǎn)生的兩個(gè)臨時(shí)目錄。
此外，開發(fā)環(huán)境還有描述ROS Package相關(guān)工作區(qū)的兩個(gè)文件：Package.xml和Cmakelists.txt。
Package.xml定義了可執(zhí)行文件依賴的一些庫，包括編譯和運(yùn)行時(shí)依賴庫，同時(shí)定義了軟件版本信息等常見的描述文件。
Cmakelists.txt定義了怎么編譯ROS工程的規(guī)則，主要定義了以下幾個(gè)部分：
下面是Cmakelists文件的一個(gè)例子。
從上到下依次指定了Cmake的版本、project的名字、ROS工程所依賴的c++的版本、另外是依賴的庫文件，最后生成可執(zhí)行文件以及這個(gè)文件所鏈接的依賴庫。
2. Eclipse下編譯ROS基本工程
工程建立好之后，catkin build可以直接對(duì)工程進(jìn)行編譯。直接用 catkin build去編譯，會(huì)把整個(gè)工程目錄里面的所有的package進(jìn)行統(tǒng)一編譯，如果是構(gòu)建一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)，可能一個(gè)文件夾包含了很多節(jié)點(diǎn)或者package包，編譯時(shí)間會(huì)比較久，可以通過指定package名，編譯某一個(gè)固定的package包，提升編譯效率。
下面介紹在Eclipse下如何編譯ROS基本工程
首先是設(shè)置工作ROS工作區(qū)，然后將ROS package導(dǎo)入到Eclipse設(shè)置的工作區(qū)。
通過Eclipse提供的build或者run等功能去調(diào)試ROS工程。同時(shí)Eclipse里面提供的快捷鍵在編譯程序里面同樣適用。
3.通過hello world了解ROS基本的運(yùn)行邏輯
上圖的hello world程序展現(xiàn)了ROS框架寫Node所使用的核心要素：
Include 就是include ROS的一個(gè)基本環(huán)境；
Main函數(shù)里面有三行需要重點(diǎn)注意：
- init：引入ROS的一個(gè)基本環(huán)境，指定節(jié)點(diǎn)使用的node名字和一些參數(shù)信息；
- NodeHandle：node和整個(gè)ROS框架進(jìn)行通信所使用的一個(gè)句柄指針；
- 數(shù)據(jù)發(fā)送的頻率：looprate（10）以10赫茲發(fā)送消息。
最底下的while循環(huán)以10赫茲的消息頻率進(jìn)行發(fā)送，同時(shí)進(jìn)行計(jì)數(shù)。
Spinonce：有一幀消息就把這消息立馬發(fā)送出去，同時(shí)進(jìn)行下一輪的消息等待。
4. ROS提供的日志系統(tǒng)
在示例程序里面有一個(gè)ROS_INFO，它就是ROS提供的日志系統(tǒng)；
ROS的日志系統(tǒng)是分級(jí)的，即在編寫節(jié)點(diǎn)程序的時(shí)候?qū)Υ蛴〉男畔⑦M(jìn)行分級(jí)，對(duì)不同的分級(jí)，ROS會(huì)提供不同的顏色和格式進(jìn)行展示。分級(jí)的作用是為了幫助開發(fā)者快速地定位到關(guān)鍵信息，不會(huì)對(duì)整個(gè)節(jié)點(diǎn)的邏輯產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響。
日志系統(tǒng)提供了兩種格式ROS_INFO與ROS_INFO_stream：
- ROS_INFO：默認(rèn)把信息打印到當(dāng)時(shí)運(yùn)行的屏幕上。
- ROS_INFO_stream：它是流式數(shù)據(jù)，默認(rèn)輸出到后臺(tái)這個(gè)節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的日志文件。
5. ROS提供的subscriber和publisher功能
Subscriber與Publisher有三點(diǎn)明顯的區(qū)別:
1、回調(diào)函數(shù)：subscriber作為信息的接收方有一個(gè)回調(diào)函數(shù)，回調(diào)函數(shù)定義了它接收到的每一幀信息如何使用；上圖listener回調(diào)函數(shù)比較簡(jiǎn)單，它接收到信息后只是進(jìn)行了打印處理。Publisher沒有回調(diào)函數(shù)，它不需要對(duì)消息進(jìn)行處理。
2、聲明的時(shí)候：subscriber把回調(diào)函數(shù)傳入到對(duì)應(yīng)的node初始化程序里面。publisher聲明的時(shí)候只需要注冊(cè)要往哪一個(gè)topic上去發(fā)信息，同時(shí)還設(shè)置隊(duì)列長(zhǎng)度。
3、Rosspin：在ROS構(gòu)架里所有的回調(diào)函數(shù)都不是主動(dòng)觸發(fā)的。Rosspin是阻塞性的，聲明Rosspin之后，就阻塞在此，程序不會(huì)退出，它會(huì)一直監(jiān)聽自己對(duì)應(yīng)的隊(duì)列里面是否有新消息的到達(dá)，若有新消息到達(dá)就會(huì)觸發(fā)回調(diào)函數(shù)處理。
如果Subscriber的主程序里除了訂閱消息之外還有其他的功能則可以采用rosspin once，對(duì)所有已達(dá)消息進(jìn)行回調(diào)函數(shù)的處理。同時(shí)可以寫一個(gè)while循環(huán)，rosspin once按照一定的頻率去處理回調(diào)函數(shù)的消息。ROS提供Rosspin這兩種方式，就是為了滿足這兩種場(chǎng)景。第一種是阻塞，只有一個(gè)回調(diào)函數(shù)進(jìn)行處理，第二種是訂閱回調(diào)函數(shù)消息以外，他還進(jìn)行了一些封裝和處置。
看似很復(fù)雜的自動(dòng)駕駛，節(jié)點(diǎn)整體寫下來都是比較簡(jiǎn)單的，就是按照上圖Subscriber與Publisher方式來寫。但是在實(shí)際的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)里面，所有的模塊都不是簡(jiǎn)單的一個(gè)角色，它可能既是消息的訂閱者也是消息的發(fā)送者，是一個(gè)復(fù)雜交互的功能，甚至是用到很多數(shù)據(jù)融合或者是消息對(duì)齊。
6. ROS除了message的另外兩種通信方式
ROS節(jié)點(diǎn)之間的通信除了基于message消息訂閱和發(fā)布模型之外還有另外兩種方式，雖然另外兩種方式使用的比較少，但是在某些特定的場(chǎng)合是比較有用的。
6.1 service
節(jié)點(diǎn)可以啟動(dòng)service去注冊(cè)一項(xiàng)服務(wù)，另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)在使用這項(xiàng)服務(wù)的時(shí)候可以直接call service完成一些實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)通訊交互。Message是一個(gè)被動(dòng)的消息行為，發(fā)送者發(fā)送消息的時(shí)候并不知道消息會(huì)被誰去消費(fèi)，接收者在接收消息的時(shí)候也不知道目前有幾個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)在發(fā)送，發(fā)送和接收之間是一個(gè)什么狀態(tài)也是不知道的，他們是一個(gè)松耦合和透明的關(guān)系。Service彌補(bǔ)了這種通信方式的不足，它需要及時(shí)回應(yīng)。Client向server去發(fā)送service請(qǐng)求的時(shí)候，需要實(shí)時(shí)等待一個(gè)response，根據(jù)響應(yīng)做出下一步的行為指示。
6.2 parameter
Parameter通信方式借鑒了service的原理。它啟動(dòng)了Parameter service，Parameter service是一個(gè)全局的服務(wù)器，各個(gè)節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和獲取的時(shí)候可以通過Parameter service的方式輕易完成。因?yàn)镻arameter不像基于message消息通訊方式那么頻繁，一個(gè)參數(shù)在設(shè)置完成之后，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥\(yùn)行期間所有的節(jié)點(diǎn)只需要在一個(gè)地方取此參數(shù)就行或者某個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己的運(yùn)行狀態(tài)去改變這個(gè)參數(shù)。
Parameter對(duì)應(yīng)有一套R(shí)OS所使用的基本命令行工具—rosparam。
rosparam其它工具相比，有兩個(gè)不同的地方：get和set。get是get某一個(gè)全局參數(shù)的值；set是設(shè)置某一個(gè)全局參數(shù)的值。
上圖展示的例子是通過node所提供的nodeHandler指針去調(diào)用它的getparam，得到某個(gè)參數(shù)的數(shù)值。當(dāng)它進(jìn)行一些運(yùn)算之后，也可以通過setparam去設(shè)置參數(shù)的值。設(shè)置之后，整個(gè)系統(tǒng)參數(shù)服務(wù)器里面對(duì)應(yīng)的這個(gè)參數(shù)就會(huì)被設(shè)置成對(duì)應(yīng)的值，其他節(jié)點(diǎn)在得到這個(gè)值之后再作出相應(yīng)的處理。
7.ROS的可視化工具RViz
自動(dòng)駕駛節(jié)點(diǎn)比較多，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟脖容^復(fù)雜，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行消息通訊的時(shí)候有很多channel同時(shí)運(yùn)行，如果只是通過命令行工具去查看節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)和節(jié)點(diǎn)之間的拓?fù)?#xff0c;會(huì)很麻煩。ROS提供了一些比較好用的可視化工具立體化展示某一個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)里面的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，RViz就是其中之一。
RViz在整個(gè)ROS生態(tài)里可以看成是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，它定義了整個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)里面所有的消息，然后按照固定的格式進(jìn)行圖形化展示，同時(shí)提供很多debug相關(guān)的功能。因?yàn)镽Viz也是一個(gè)普通的節(jié)點(diǎn)，所以在啟動(dòng)的時(shí)候可以通過rosrun命令的方式去啟動(dòng)RViz相關(guān)的功能。
RViz也提供了很多插件可以放到諸如eclipse這樣的功能插件里面，在進(jìn)行eclipse開發(fā)時(shí)可以通過eclipse的plugin去調(diào)取RViz的相關(guān)功能，進(jìn)行可視化調(diào)試。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的Apollo进阶课程㊱丨Apollo ROS深入介绍的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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