baidu进阶训练笔记十三20200731

百度Apollo ROS介绍（二）

Apollo ROS原理-2

去中心化网络拓扑

ROS是以Rosmaster节点管理器建立起来的一个P2P拓扑网络，这种拓扑网络有很明显的优势

两个节点进行通信的链路过程：

• 发送节点去向Master注册一个发送节点
• 接收节点去向Master注册一个接收节点
• Master向接收节点发送一个已有发送节点的一个信息拓扑
• 接收节点拿到这个拓扑信息之后去向发送节点请求建立一个tcp连接
• 在发送节点和接收节点建立一个P2P的单点拓扑连接之后就持续不断的向接收节点发送信息

在建立实际通信之后，对Master的依赖可能会降低很多，但是在建立之前是比较依赖Master节点的。

ROS缺乏异常恢复机制

如果某一个节点挂掉，尤其是Master节点挂掉，其它的节点却不知道发生了这样的行为，还会认为整个系统运行仍然处在正确的状态中。比如发送节点里面有一些Service或者Param相关的请求，它还是会照常去发请求或者是设置这个参数信息，这样就会产生一些不可控的行为。

使用RTPS服务发现协议实现完全的P2P网络拓扑

Apollo ROS进行了比较大的改造：先把这个中心化的网络拓扑给去掉，然后建立了一个点对点之间的一个复杂网络拓扑，主要是使用RTPS服务发现协议去完成P2P网络拓扑。

• 右侧是ROS Node的一个框架图
• 左下角是引入RTPS服务相关的一些功能。其它部分是ROS Node现有的一些功能
• Ros Node是分层级式的结构，最上层是Handler，Handler提供节点和ROS整个通信的基本交互的句柄。下一层左侧和右侧定义了这个节点发送和订阅的Channel信息。
• 第四层是Middleware，Middleware是这个节点和其它节点进行通信的时候去完成链路的建立和数据的发送
• 左下角RTPS是新引入的一个功能。改造之后的ROS Node架构，当一个节点被启动的时候，它会通过RTPS向所有的节点发送信息：现在有一个新的节点要加入到这个拓扑网络。当它离开的时候，也会发送消息告诉所有的节点：现在这个节点要退出。以前这些功能都是通过Rosmaster来完成的。

节点建立连接和通讯的一个主要流程

• Sub节点启动，通过组播向网络注册。

• 所有节点接受到新加入的节点的拓扑信息变更之后，与新加入的节点分别建立两两连接关系

• 所有已经存在的节点会向新加入的节点发送它们已经有拓扑信息，也就是在新节点加入之前每个节点其实是维护了它和其它所有节点的一个连接关系，这个连接关系发送给接收节点，供接收节点去更新自己的网络拓扑结构。

• 当新加入节点接到所有节点发送出来的历史拓扑信息之后，它会根据它自己注册的实际消息内容去决定和哪些节点建立实际的通信连接。如上图所示：新加入节点只和右下角的一个节点之间有拓扑关系，它除了维护所有的节点给它发送出的整个网络拓扑信息之外，同时会和发送节点建立点对点的通信连接。

通过RTPS拓扑发现方式，Apollo ROS去除了对Rosmaster这一个单点的依赖，从而提升整个系统的鲁棒性。这个修改完全是对ROS底层的修改，用户基于原生ROS代码写的节点程序，到Apollo ROS是完全兼容的一个迁移即开发者不需要去改动任何的接口，就可以直接使用RTPS网络拓扑这种新的关系建立。

数据兼容性扩展

原生ROS基于Message的订阅发布消息模型。

发送者和接收者在进行实际通讯之前需要进行消息格式定义，其包含字段：基础的数据类型或者复杂的数据类型。在它们进行消息通信的时候，才可以有选择性的去建立通信连接和数据实际发送。

Message是两个节点进行消息通信的抽象描述文件

• 这个描述文件提前定义好两个节点之间进行消息通信的基本数据类型。
• 能比较大概率地对两个节点之间进行解耦合，同时两个节点之间也是跨语言的
• 通过Message通信的时候接、收节点在接受到信息之后，会进行MD5的校验、验证这个消息是否符合它的预先订阅，或者是在使用消息之后才会去进行消息的回调处理。

接口升级后，不同版本的模块难以兼容

• 它最大限度解放两个点之点的一个耦合关系也带来了一些问题
  • 比如Message接口升级，不同版本之间的兼容是需要做大量的适配工作。
  • 再如某个模块进行升级，之前所录制的一些实验数据，在进行回放的时候就会产生不匹配的现象。

接口升级后，历史数据也面临这无法使用的问题

Apollo ROS 实践中，引入了一种新的消息描述的格式，可以很好的实现向后兼容——Protobuf

只需要在使用的过程中，定义好必须的字段或者是一些新增的字段，新增的字段我们可以使用Optional属性去描述。在进行模块升级或者是模块之间的消息接口升级的时候，下游模块其实不需要关注新增字段对它来说会造成什么样的影响。如果它要去使用这个字段的话才需要去进行一定程度的适配。如果它的程序不使用这个新增的字段，就不需要做任何的修改。

原生ROS与Apollo ROS的比较

为了做好数据兼容，在原生ROS里面，开发者使用了一个trick：将Proto文件序列化成一个字符串信息放到Message信息里面，完成消息的向后兼容。

• 原生ROS两个明显的缺点：

  • 它增加了一次数据序列化和反序列化。并把Proto序列化信息压到Message里面，增加了两次额外的数据Copy。
  • 如果想实时调试信息，通过Rostopic echo打印出来Message里面那个序列化的字母串，若是采用Wrapper的方式，则这个字符串信息在屏幕上就会是一堆乱码。

  Apollo ROS 为了满足数据兼容，深度整合了Protobuf的功能。用户可以直接定义Proto的字段信息，同时信息传递的过程不需要再进行额外的Message的数据转化。另外，在使用调试工具的时候，通过Rostopic echo可以看出原始消息传递的实际展示。

Apollo ROS原理-3

TF坐标系转换（Transformation System）

为什么需要TF坐标系转换？

因为自动驾驶使用的ROS架构是一个松耦合关系，每个节点独立运行，节点有一套自己的XYZ坐标系，当把他们组装到一块时，每个节点的坐标系都是相对独立的，但整个自动驾驶系统需要把每一个节点所使用的信息和一些参数转化到同一个世界坐标系里。TF节点就提供了对应的坐标系转换功能，TF消息也是通过基于Message的订阅和发布消息来完成的。

TF也是通过基于Message的订阅和发布消息

当下游的Planning节点想使用Obstacle信息时，需要将Obstacle信息转化到同一个世界坐标系，这时候它会发起一个TF去查询Obstacle处于哪一个世界坐标系里面的哪一个位置，从而感知整个车身周围的情况，基于此再做一个合理的规划和决策行为。

ROS也提供的一些基本功能查看TF的运行机制

例如Rosrun提供了TF监控节点，通过这个节点我们能看到整个复杂网络拓扑结构里面节点之间的关系；每个节点之间进行TF转换时所用到的TF树的结构。此外，还提供了tf_echo命令，可以打印从A节点到B节点，例如Perception节点到Planning节点中间所使用了TF转变树的结构。

Publiser使用TF的一个例子

想使用TF，只需要改动两部分：第一是定义TF的对象；第二是直接进行TF数据查询，然后就可以得到一个世界坐标系。

RQT用户接口

R实质是ROS的缩写，QT是可视化的图形工具，RQT是ROS给开发者提供的一套比较方便的图形化相关展示的一套工具。

比较常用的RQT功能

RQT imageview

这个主要是为自动驾驶顶层的一些传感器设计的，例如Camera图像，如果你想实时查看Driver接收图像是否正确，颜色、方位是否有问题，可以通过此工具简单选择对应Camera的channel，用 Camera的topic信息实时查看图像状态。

Multipot

可以将二维的数据在一个二维坐标系里面进行实时展示，这样可以更直观地看到我们所需要的数据是否符合我们的预期。

RQT的graph工具

在开发的实际过程当中使用得比较广泛，这个工具把整个网络拓扑用图形化的方式展现出来。例如启动Perception、 Planning和Roscore这三个节点，它都会在RQT graph工具里面进行实时展示，同时两个节点之间所用的topic信息也会在里面实时展示。

RQT console

是对应ROS日志系统所提供的一套可视化工具。ROS提供了五种级别的LOG展示：DEBUG 、IFNO、WARN、ERROR、FATAL。每个模块在某一时刻都会产生大量的日志信息，RQT console把这些信息统一规整到一个可视化工具里面，用户可以通过配置的方式快速定位和找到自己所需要的一些相关信息。

RQT logleve

是为ROS日志系统所提供的另外一个可视化工具。在写代码的时候，可能5种类型的日志都会使用，但是在实际调试过程中可能只想看到某几种类别的实时信息，通过这个工具可以实时调整，让节点输出我们想要的级别的一些信息。例如我们只想看到ERROR或者FATAL信息，就可以把某一个节点的信息级别设置为ERROR，这样这个节点所打印的ERROR和FATAL的信息可以通过命令行或者LOG文件里面去看到，其它级别的信息不会干扰实时调试。

机器人描述文件（URDF）

• 在进行实际模拟的时候，可以用一套语言来定义机器人模型，这套语言被定义为统一机器人描述格式语言URDF。

• 它也是一套xml的语言描述，这个描述格式里面包含两个核心的概念：

  • 一个是节点Link，
  • 一个是节点之间的连接关系Joint。
  • Joint会指定Parent节点和Child节点，这样就可以描述一个完整的拓扑结构，也就是对整个网络拓扑结构的xml语言化描述。在进行仿真的时候，通过加载对应的URDF文件，在仿真环境里面实时地展示所需要调试的信息。

仿真文本描述格式（SDF）

• Simulation Description Format（SDF）是另外一个调试工具。
• 之前介绍的Rviz调试工具，更多的是看到消息收发之间的实体化展示，例如展示点云、图像和其它一些信息。
• 如果进行仿真模拟，如机器人模拟的时候，就用另一套工具Gazebo。Gazebo是ROS的一个开发包，它里面所使用的描述语言就是Simulation Description Format。
• 用Gazebo加载URDF时，Gazebo首先把URDF描述语言转换成SDF语言，然后再进行加载和展示

Apollo ROS原理-4

实际开发调试过程中几个重要的概念

Services

• ROS提供三种节点间的通信方式

  • 基于消息的订阅发布模型
  • Services
  • Param

• Service name 是Service底层的SRV描述文件，定义了两种消息

• SRV文件（Service的基本描述）
  

Service具体使用方法

• 声明一个Client对象

• 直接Call这个Service，传入对应的Request

ROS Actions(actionlib)

ROS Time

提供了一个重要的功能——仿真时间

ROS Bags

• 重要的功能：
  • 按一定格式录制道路实测时的原始数据，可以通过回放复现网络场景，便于算法的快速迭代与更新

调试相关

RQT提供了诊断程序