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ROS通信架構（上）

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徐凱_xp

2019.04.30 14:23:54字數 1,821閱讀 105

Node&Master

在ROS的世界里，最小的進程單元就是節點（node）。一個軟件包里可以有多個可執行文件，可執行文件在運行之后就成了一個進程(process)，這個進程在ROS中就叫做節點。
例如有一個node來控制底盤輪子的運動，有一個node驅動攝像頭獲取圖像，有一個node驅動激光雷達，有一個node根據傳感器信息進行路徑規劃……這樣做可以降低程序發生崩潰的可能性

Master

由于機器人的元器件很多，功能龐大，因此實際運行時往往會運行眾多的node，負責感知世界、控制運動、決策和計算等功能。那么如何合理的進行調配、管理這些node？這就要利用ROS提供給我們的節點管理器master, master在整個網絡通信架構里相當于管理中心，管理著各個node。node首先在master處進行注冊，之后master會將該node納入整個ROS程序中。node之間的通信也是先由master進行“牽線”，才能兩兩的進行點對點通信。當ROS程序啟動時，第一步首先啟動master，由節點管理器處理依次啟動node。

啟動master和node

啟動ROS時，

roscore

此時ROS master啟動，同時啟動的還有 rosout 和 parameter server ,其中 rosout 是負責日志輸出的一個節點，其作用是告知用戶當前系統的狀態，包括輸出系統的error、warning等等，并且將log記錄于日志文件中， parameter server 即是參數服務器，它并不是一個node，而是存儲參數配置的一個服務器，后文我們會單獨介紹。每一次我們運行ROS的節點前，都需要把master啟動起來，這樣才能夠讓節點啟動和注冊。
具體啟動node的語句是：

rosrun pkg_name node_name

通常我們運行ROS，就是按照這樣的順序啟動，有時候節點太多，我們會選擇用launch文件來啟動，下一小節會有介紹。 Master、Node之間以及Node之間的關系如下圖所示：

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rosrun &rosnode

rosrun命令的詳細用法如下：

rosrun [--prefix cmd] [--debug] pkg_name node_name [ARGS]

rosrun將會尋找PACKAGE下的名為EXECUTABLE的可執行程序
rosnode 命令的詳細作用列表如下：

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以上命令中常用的為前三個，在開發調試時經常會需要查看當前node以及node信息

roslaunch

通常一個機器人運行操作時要開啟很多個node,并不需要每個節點依次進行rosrun，ROS為我們提供了一個命令能一次性啟動master和多個node。該命令是：

roslaunch pkg_name file_name.launch

roslaunch命令首先會自動進行檢測系統的roscore有沒有運行，也即是確認節點管理器是否在運行狀態中，如果master沒有啟動，那么roslaunch就會首先啟動master，然后再按照launch的規則執行。launch文件里已經配置好了啟動的規則。 所以 roslaunch 就像是一個啟動工具，能夠一次性把多個節點按照我們預先的配置啟動起來，減少我們在終端中一條條輸入指令的麻煩。
launch文件寫法及格式：

<launch> <!--根標簽--><node> <!--需要啟動的node及其參數--><include> <!--包含其他launch--><machine> <!--指定運行的機器--><env-loader> <!--設置環境變量--><param> <!--定義參數到參數服務器--><rosparam> <!--啟動yaml文件參數到參數服務器--><arg> <!--定義變量--><remap> <!--設定參數映射--><group> <!--設定命名空間--> </launch> <!--根標簽-->

參考鏈接:http://wiki.ros.org/roslaunch/XML

通信方式

ROS的通信方式是ROS最為核心的概念，ROS系統的精髓就在于它提供的通信架構。ROS的通信方式有以下四種：

• Topic 主題
• Service 服務
• Parameter Service 參數服務器
• Actionlib 動作庫

Topic

topic是一種點對點的單向通信方式，這里的“點”指的是node，也就是說node之間可以通過topic方式來傳遞信息。
topic要經歷下面幾步的初始化過程：
首先，publisher節點和subscriber節點都要到節點管理器進行注冊；然后publisher會發布topic，subscriber在master的指揮下會訂閱該topic，從而建立起sub-pub之間的通信。
注意整個過程是單向的。其結構示意圖如下：

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通信示例

以攝像頭畫面的發布、處理、顯示為例講講topic通信的流程：
在機器人上的攝像頭拍攝程序是一個node（圓圈表示,我們記作node1），當node1運行啟動之后，它作為一個Publisher就開始發布topic。比如它發布了一個topic（方框表示），叫做/camera_rgb，是rgb顏色信息，即采集到的彩色圖像。同時，node2假如是圖像處理程序,它訂閱了/camera_rgb這個topic，經過節點管理器的介紹，它就能建立和攝像頭節點（node1）的連接。
在node1每發布一次消息之后，就會繼續執行下一個動作，至于消息是什么狀態、被怎樣處理，它不需要了解；而對于node2圖像處理程序，它只管接收和處理/camera_rgb上的消息，至于是誰發來的，它不會關心。所以node1、node2兩者都是各司其責，不存在協同工作，我們稱這樣的通信方式是異步的。

ROS是一種分布式的架構，一個topic可以被多個節點同時發布，也可以同時被多個節點接收。比如在這個場景中用戶可以再加入一個圖像顯示的節點，我們在想看看攝像頭節點的畫面，則可以用自己的筆記本連接到機器人上的節點管理器，然后在自己的電腦上啟動圖像顯示節點。
這就體現了分布式系統通信的好處：擴展性好、軟件復用率高。
總結三點：

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• topic通信方式是異步的，發送時調用publish()方法，發送完成立即返回，不用等待反饋。
• subscriber通過回調函數的方式來處理消息。
• topic可以同時有多個subscribers，也可以同時有多個publishers。ROS中這樣的例子有：/rosout、/tf等等。

Message

Topic有很嚴格的格式要求，，比如上節的攝像頭進程中的rgb圖像topic，它就必然要遵循ROS中定義好的rgb圖像格式。這種數據格式就是Message。Message按照定義解釋就是topic內容的數據類型，也稱之為topic的格式標準。這里和我們平常用到的Massage直觀概念有所不同，這里的Message不單單指一條發布或者訂閱的消息，也指定為topic的格式標準。
我們用一個具體的msg來了解，例如上例中的msg sensor_msg/image,位置存放在sensor_msgs/msg/image.msg里.

std_msg/Header headeruint32 seqtime stampstring frame_id uint32 height uint32 width string encoding uint8 is_bigendian uint32 step uint8[] data

觀察上面msg的定義，是不是很類似C語言中的結構體呢？通過具體的定義圖像的寬度，高度等等來規范圖像的格式。所以這就解釋了Message不僅僅是我們平時理解的一條一條的消息，而且更是ROS中topic的格式規范。或者可以理解msg是一個“類”，那么我們每次發布的內容可以理解為“對象”，這么對比來理解可能更加容易。

操作命令

操作演示

roslaunch robot_sim_demo robot_spawn.launch rostopic list

rostopic info /camera/rgb/image_raw

rosrun image_view image_view image:=/camera/rgb/image_raw

rostopic info /camera/depth/image_raw

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類型依舊是sensor_mags/Image,所以依舊可以用 image_view node來查看

rosrun robpt_sim_demo robot_keyboard_teleop.py

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的ROS通信架构（上）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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