基于ROS的智能汽车设计与实训教程第八章

1、8.1 话题Node在ROS的世界里，最小的进程单元就是节点（node）。一个软件包里可以有多个可执行文件，可执行文件在运行之后就成了一个进程(process)，这个进程在ROS中就叫作节点。从程序角度来说，node就是一个可执行文件（通常为C+编译生成的可执行文件、Python脚本），被执行并加载到了内存之中；从功能角度来说，通常一个node负责着机器人的某一个单独的功能。由于机器人的功能模块非常复杂，我们往往不会把所有功能都集中到一个node上，而会采用分布式的方式，把鸡蛋放到不同的篮子里。18.1 话题Master由于机器人的元器件很多，功能庞大，因此实际运行时往往会运行众多的node，这些node负责感知世界、控制运动、决策和计算等功能。那么如果要进行调配、管理这些node的话，就要利用ROS提供给我们的节点管理器master,master在整个网络通信架构里相当于管理中心，管理着各个node。node首先在master处进行注册，之后master会将该node纳入整个ROS程序中。node之间的通信也是先由master进行“牵线”，才能两两的进行点对点通信。当ROS程序启动时

2、，第一步首先启动master，由节点管理器处理依次启动node。28.1 话题启动master和node当我们要启动ROS时，首先输入命令:$roscore此时ROS master启动，同时启动的还有rosout和parameter server,其中rosout是负责日志输出的一个节点，其作用是告知用户当前系统的状态，包括输出系统的error、warning等等，并且将log记录于日志文件中，parameter server 即是参数服务器，它并不是一个node，而是存储参数配置的一个服务器。每一次我们运行ROS的节点前，都需要把master启动起来，这样才能够让节点启动和注册。启动master之后，节点管理器就开始按照系统的安排协调进行启动具体的节点。节点就是一个进程，只不过在ROS中它被赋予了专用的名字里node。我们知道一个package中存放着可执行文件，可执行文件是静态的，当系统执行这些可执行文件，将这些文件加载到内存中，它就成为了动态的node。具体启动node的语句是：$rosrun pkg_name node_name3通常我们运行ROS，就是按照上面的顺序启动，有时

3、候节点太多，我们会选择用launch文件来启动。Master、Node之间以及Node之间的关系如图所示。8.1 话题4机器人是一个系统工程，通常一个机器人运行操作时要开启很多个node，对于一个复杂的机器人的启动操作并不需要每个节点依次进行rosrun，ROS为我们提供了一个命令能一次性启动master和多个node。该命令是：$roslaunch pkg_name file_name.launchroslaunch命令首先会自动进行检测系统的roscore有没有运行，也即是确认节点管理器是否在运行状态中，如果master没有启动，那么roslaunch就会首先启动master，然后再按照launch的规则执行。8.1 话题launch文件58.1 话题ROS的通信方式是ROS最为核心的概念，ROS系统的精髓就在于它提供的通信架构。ROS的通信方式有以下四种：Topic话题Service服务Parameter Service参数服务器Actionlib动作库ROS中的通信方式中，topic是常用的一种。对于实时性、周期性的消息，使用topic来传输是最佳的选择。topic是一种点对点

4、的单向通信方式，这里的“点”指的是node，也就是说node之间可以通过topic方式来传递信息。Topic68.1 话题topic要经历下面几步的初始化过程：首先，publisher节点和subscriber节点都要到节点管理器进行注册，然后publisher会发布topic，subscriber在master的指挥下会订阅该topic，从而建立起sub-pub之间的通信。注意整个过程是单向的。Topic78.1 话题ROS是一种分布式的架构，一个topic可以被多个节点同时发布，也可以同时被多个节点接收。比如在这个场景中用户可以再加入一个图像显示的节点，如果想看摄像头节点的画面，则可以用自己的笔记本连接到机器人上的节点管理器，然后在自己的电脑上启动图像显示节点。这就体现了分布式系统通信的好处：扩展性好、软件复用率高。总结三点：（1）topic通信方式是异步的，发送时调用publish()方法，发送完成立即返回，不用等待反馈。（2）subscriber通过回调函数的方式来处理消息。（3）topic可以同时有多个subscribers，也可以同时有多个publishers。ROS中这样

5、的例子有：/rosout、/tf等等。8Message8.1 话题Message按照定义解释就是topic内容的数据类型，也称之为topic的格式标准。这里和我们平常用到的Massage直观概念有所不同，这里的Message不单单指一条发布或者订阅的消息，也指定为topic的格式标准。基本的msg包括bool、int8、int16、int32、int64(以及uint)、float、float64、string、time、duration、header、可变长数组array、固定长度数组arrayC。9上一节我们介绍了ROS的通信方式中的topic(话题)通信，我们知道topic是ROS中的一种单向的异步通信方式。然而有些时候单向的通信满足不了通信要求，比如当一些节点只是临时而非周期性的需要某些数据，如果用topic通信方式时就会消耗大量不必要的系统资源，造成系统的低效率高功耗。这种情况下，就需要有另外一种请求-查询式的通信模型。这节我们来介绍ROS通信中的另一种通信方式service(服务)。8.2 服务108.2 服务service方式在通信模型上与topic做了区别。Servic

6、e通信是双向的，它不仅可以发送消息，同时还会有反馈。所以service包括两个部分，一部分是请求方（Clinet），另一部分则是应答方/服务提供方（Server）。这时请求方（Client）就会发送一个request，要等待server处理，反馈回一个reply，这样通过类似“请求-应答”的机制完成整个服务通信。118.2 服务Service是同步通信方式，所谓同步就是说，此时Node A发布请求后会在原地等待reply，直到Node B处理完了请求并且完成了reply，Node A才会继续执行。Node A等待过程中，是处于阻塞状态的成通信。这样的通信模型没有频繁的消息传递，没有冲突与高系统资源的占用，只有接受请求才执行服务，简单而且高效。名称名称TopicService通信方式通信方式异步通信同步通信实现原理实现原理TCP/IPTCP/IP通信模型通信模型Publish-SubscribeRequest-Reply映射关系映射关系Publish-Subscribe(多对多)Request-Reply（多对一）特点特点接受者收到数据会回调（Callback）远程过程调用（RPC）服务

7、器端的服务应用场景应用场景连续、高频的数据发布偶尔使用的功能/具体的任务举例举例激光雷达、里程计发布数据开关传感器、拍照、计算topic和service对比128.2 服务在实际应用中，service通信方式的命令时rosservice 具体的命令参数如下表：rosservice命令命令作用作用rosservice list显示服务列表rosservice info打印服务信息rosservice type打印服务类型rosservice uri打印服务ROSRPC urirosservice find按服务类型查找服务rosservice call使用所提供的args调用服务rosservice args打印服务参数138.2 服务 类似msg文件，srv文件是用来描述服务（service数据类型的，service通信的数据格式定义在*.srv中。它声明了一个服务，包括请求(request)和响应（reply）两部分。rosservice 具体的命令参数如下表：rosservice命令命令作用作用rosservice list显示服务列表rosservice info打印服务信息ro

8、sservice type打印服务类型rosservice uri打印服务ROSRPC urirosservice find按服务类型查找服务rosservice call使用所提供的args调用服务rosservice args打印服务参数148.3 动作 Actionlib是ROS中一个很重要的库，类似service通信机制，actionlib也是一种请求响应机制的通信方式，actionlib主要弥补了service通信的一个不足，就是当机器人执行一个长时间的任务时，假如利用service通信方式，那么publisher会很长时间接受不到反馈的reply，致使通信受阻。当service通信不能很好的完成任务时候，actionlib则可以比较适合实现长时间的通信过程，actionlib通信过程可以随时被查看过程进度，也可以终止请求，这样的一个特性，使得它在一些特别的机制中拥有很高的效率。Action的工作原理是client-server模式，也是一个双向的通信模式。通信双方在ROSAction Protocol下通过消息进行数据的交流通信。client和server为用户提供一个简单

9、的API来请求目标或通过函数调用和回调来执行目标。客户端会向服务器发送目标指令和取消动作指令,而服务器则可以给客户端发送实时的状态信息,结果信息,反馈信息等等,从而完成了service没法做到的部分。158.3 动作 利用动作库进行请求响应，动作的内容格式应包含三个部分：目标、反馈、结果。（1）目标机器人执行一个动作，应该有明确的移动目标信息，包括一些参数的设定，方向、角度、速度等等。从而使机器人完成动作任务。（2）反馈在动作进行的过程中，应该有实时的状态信息反馈给服务器的实施者，告诉实施者动作完成的状态，可以使实施者作出准确的判断去修正命令。（3）结果当运动完成时，动作服务器把本次运动的结果数据发送给客户端，使客户端得到本次动作的全部信息，例如可能包含机器人的运动时长，最终姿势等等。168.4 参数 参数服务器是特殊的“通信方式”。特殊点在于参数服务器是节点存储参数的地方、用于配置参数，全局共享参数。参数服务器使用互联网传输，在节点管理器中运行，实现整个通信过程。参数服务器，其作为ROS中另外一种重要的数据传输方式，有别于topic和service，它更加的静态。参数服务器维护着一个

10、数据字典，字典里存储着各种参数和配置。178.4 参数字典简介 何为字典，其实就是一个个的键值对，我们小时候学习语文的时候，常常都会有一本字典，当遇到不认识的字了我们可以查部首查到这个字，获取这个字的读音、意义等等，而这里的字典可以对比理解记忆。键值kay可以理解为语文里的“部首”这个概念，每一个key都是唯一的。每一个key不重复，且每一个key对应着一个value。也可以说字典就是一种映射关系，在实际的项目应用中，因为字典的这种静态的映射特点，我们往往将一些不常用到的参数和配置放入参数服务器里的字典里，这样对这些数据进行读写都将方便高效。188.5 信息通信过程运行主节点 节点之间的消息通信当中，管理连接信息的主节点是为使用ROS必须首先运行的必需元素。ROS主节点使用roscore命令来运行，并使用XMLRPC运行服务器。主节点为了节点与节点的连接，会注册节点的名称、话题、服务、动作名称、消息类型、URI地址和端口，并在有请求时将此信息通知给其他节点。198.5 信息通信过程运行订阅者节点 订阅者节点使用rosrun或roslaunch命令来运行。订阅者节点在运行时向主节点 注册

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