ROS学习笔记(八): ROS通信架构

ROS学习笔记(八): ROS通信架构

文章目录

  • 01 Node & Master
    • 1.1 Node
    • 1.2 Master
    • 1.3 启动master和node
    • 1.4 rosrun和rosnode命令
  • 02 launch文件
    • 2.1 简介
    • 2.2 写法与格式
    • 2.3 示例
    • 小结
  • 03 Topic(话题)
    • 3.1 简介
    • 3.2 Topic(发布/订阅)
    • 3.3 通信示例
    • 3.4 操作命令
    • 小结
  • 04 Message
    • 4.1 简介
    • 4.2 结构与类型
    • 4.3 操作命令
  • 05 常见message
  • 06 Service(服务)
    • 6.1 Service
    • 6.2 工作原理
      • 简介
      • 过程
    • 6.3 topic VS service
    • 6.4 操作命令
    • 小结
  • 07 Srv
    • 7.1 简介
    • 7.2 操作命令
    • 7.3 修改部分文件
  • 08 常见srv类型
  • 09 Parameter server
    • 9.1 简介
      • 字典简介
      • 维护方式
    • 9.2 命令行维护
      • load&&dump文件
    • 9.3 launch文件内读写
    • 9.4 node源码
      • 参数类型
  • 10 Action
    • 10.1 简介
    • 10.2 通信原理
    • 10.3 Action 规范
    • 10.4 Action规范文件格式
    • 10.5 Action实例详解
    • 小结
  • 11 常见action类型

本章主要介绍了通信架构的基础通信方式和相关概念。其中首先介绍了最小的进程单元节点Node,和节点管理器Node master。了解了ROS中的进程都是由很多的Node组成,并且由Node master来管理这些节点。

介绍ROS的“发动机”——launch文件,学习它的格式和内容,更深入的理解ROS在启动运行时它的工作都是由什么进程支配的,从而理解启动运行的原理。

ROS中的通信方式有四种,主题、服务、参数服务器、动作库。每个通信方式都有自己的特点,本章首先介绍话题通信方式–topic。

01 Node & Master

1.1 Node

在ROS中,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中就叫做节点。 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,加载到了内存之中;从功能角度来说,通常一个node负责者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。

1.2 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,负责感知世界、控制运动、决策和计算等功能。那么如何合理的进行调配、管理这些node?这就要利用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,第一步首先启动master,由节点管理器处理依次启动node。

1.3 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rosoutparameter 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。

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—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_name

通常我们运行ROS,就是按照这样的顺序启动,有时候节点太多,我们会选择用launch文件来启动。 Master、Node之间以及Node之间的关系如下图所示:

ROS学习笔记(八): ROS通信架构_第1张图片

1.4 rosrun和rosnode命令

rosrun命令的详细用法如下

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

rosrun将会寻找PACKAGE下的名为EXECUTABLE的可执行程序,将可选参数ARGS传入。

例如在GDB下运行ros程序:

$ rosrun --prefix 'gdb -ex run --args' pkg_name node_name

rosnode命令的详细作用列表如下

rosnode命令 作用
rosnode list 列出当前运行的node信息
rosnode info node_name 显示出node的详细信息
rosnode kill node_name 结束某个node
rosnode ping 测试连接节点
rosnode machine 列出在特定机器或列表机器上运行的节点
rosnode cleanup 清除不可到达节点的注册信息

以上命令中常用的为前三个,在开发调试时经常会需要查看当前node以及node信息,所以请记住这些常用命令。如果想不起来,也可以通过rosnode help来查看rosnode命令的用法。

02 launch文件

2.1 简介

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多个node,对于一个复杂的机器人的启动操作应该怎么做呢?当然,我们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.launch

roslaunch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。launch文件里已经配置好了启动的规则。 所以roslaunch就像是一个启动工具,能够一次性把多个节点按照我们预先的配置启动起来,减少我们在终端中一条条输入指令的麻烦。

2.2 写法与格式

launch文件同样也遵循着xml格式规范,是一种标签文本,它的格式包括以下标签:

<launch>    
<node>    
<include>    
<machine>    
<env-loader>    
<param>    
<rosparam>    
<arg>    
<remap>    
<group>    
launch>    

参考链接:http://wiki.ros.org/roslaunch/XML

2.3 示例

launch文件的写法和格式看起来内容比较复杂,我们先来介绍一个最简单的例子如下:

<launch>
<node name="talker" pkg="rospy_tutorials" type="talker" />
launch>

这是官网给出的一个最小的例子,文本中的信息是,它启动了一个单独的节点talker,该节点是包rospy_tutorials软件包中的节点。

然而实际中的launch文件要复杂很多,我们以Ros-Academy-for-Beginners中的robot_sim_demo为例:

<launch>

<arg name="robot" default="xbot2"/>
<arg name="debug" default="false"/>
<arg name="gui" default="true"/>
<arg name="headless" default="false"/>


<include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch"> 
<arg name="world_name" value="$(find robot_sim_demo)/worlds/ROS-Academy.world"/>
<arg name="debug" value="$(arg debug)" />
<arg name="gui" value="$(arg gui)" />
<arg name="paused" value="false"/>
<arg name="use_sim_time" value="true"/>
<arg name="headless" value="$(arg headless)"/>
include>

 
<include file="$(find robot_sim_demo)/launch/include/$(arg robot).launch.xml" />



launch>

这个launch文件相比上一个简单的例子来说,内容稍微有些复杂,它的作用是:启动gazebo模拟器,导入参数内容,加入机器人模型。

小结

对于初学者,我们不要求掌握每一个标签是什么作用,但至少应该有一个印象。如果我们要进行自己写launch文件,可以先从改launch文件的模板入手,基本可以满足普通项目的要求。

03 Topic(话题)

3.1 简介

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 主题
  • Service 服务
  • Parameter Service 参数服务器
  • Actionlib 动作库

3.2 Topic(发布/订阅)

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。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。其结构示意图如下:

ROS学习笔记(八): ROS通信架构_第2张图片

Subscriber接收消息会进行处理,一般这个过程叫做回调(Callback)。所谓回调就是提前定义好了一个处理函数(写在代码中),当有消息来就会触发这个处理函数,函数会对消息进行处理。

注意整个过程是单向的。

  • Talker向ROS Master注册
  • Listener向ROS Master注册
  • ROS Master通过RPC向Listener发送Talker的地址信息
  • Listener接收到地址信息,通过RPC向Talker发送连接请求
  • Talker确认连接请求,通过RPC向Listener确认连接
  • Listener与Talker建立网络连接
  • Talker向Listener发布数据

总结:前五步的通信协议都是RPC,最后两步传输数据才用TCP

3.3 通信示例

怎么样来理解**“异步”**这个概念呢?在node1每发布一次消息之后,就会继续执行下一个动作,至于消息是什么状态、被怎样处理,它不需要了解;而对于node2图像处理程序,它只管接收和处理/camera_rgb上的消息,至于是谁发来的,它不会关心。所以node1、node2两者都是各司其责,不存在协同工作,我们称这样的通信方式是异步的。

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,我们在想看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中这样的例子有:/rosout、/tf等等。

3.4 操作命令

在实际应用中,我们应该熟悉topic的几种使用命令,下表详细的列出了各自的命令及其作用。

命令 作用
rostopic list 列出当前所有的topic
rostopic info topic_name 显示某个topic的属性信息
rostopic echo topic_name 显示某个topic的内容
rostopic pub topic_name ... 向某个topic发布内容
rostopic bw topic_name 查看某个topic的带宽
rostopic hz topic_name 查看某个topic的频率
rostopic find topic_type 查找某个类型的topic
rostopic type topic_name 查看某个topic的类型(msg)

如果你一时忘记了命令的写法,可以通过rostopic helprostopic command -h查看具体用法。

小结

topic的通信方式是ROS中比较常见的单向异步通信方式,它在很多时候的通信是比较易用且高效的。但是有些需要交互的通信时该方式就显露出自己的不足之处了,后续我们会介绍双向同步的通信方式service

04 Message

4.1 简介

topic有很严格的格式要求,比如上节的摄像头进程中的rgb图像topic,它就必然要遵循ROS中定义好的rgb图像格式。这种数据格式就是Message。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。

4.2 结构与类型

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array[C]。那么具体的一个msg是怎么组成的呢?我们用一个具体的msg来了解,例如上例中的msg sensor_msg/image,位置存放在sensor_msgs/msg/image.msg里,它的结构如下:

std_msg/Header header
    uint32    seq
    time    stamp
    string    frame_id
uint32    height
uint32    width
string    encoding
uint8    is_bigendian
uint32    step
uint8[]    data

观察上面msg的定义,是不是很类似C语言中的结构体呢?通过具体的定义图像的宽度,高度等等来规范图像的格式。所以这就解释了Message不仅仅是我们平时理解的一条一条的消息,而且更是ROS中topic的格式规范。或者可以理解msg是一个“类”,那么我们每次发布的内容可以理解为“对象”,这么对比来理解可能更加容易。 我们实际通常不会把Message概念分的那么清,通常说Message既指的是类,也是指它的对象。而msg文件则相当于类的定义了。

4.3 操作命令

rosmsg的命令相比topic就比较少了,只有两个如下:

rosmsg命令 作用
rosmsg list 列出系统上所有的msg
rosmsg show msg_name 显示某个msg的内容

05 常见message

本小节主要介绍常见的message类型,包括std_msgs, sensor_msgs, nav_msgs, geometry_msgs等

Vector3.msg

#文件位置:geometry_msgs/Vector3.msg

float64 x
float64 y
float64 z

Accel.msg

#定义加速度项,包括线性加速度和角加速度
#文件位置:geometry_msgs/Accel.msg
Vector3 linear
Vector3 angular

Header.msg

#定义数据的参考时间和参考坐标
#文件位置:std_msgs/Header.msg
uint32 seq      #数据ID
time stamp      #数据时间戳
string frame_id #数据的参考坐标系

Echos.msg

#定义超声传感器
#文件位置:自定义msg文件
Header header
uint16 front_left
uint16 front_center
uint16 front_right
uint16 rear_left
uint16 rear_center
uint16 rear_right

Quaternion.msg

#消息代表空间中旋转的四元数
#文件位置:geometry_msgs/Quaternion.msg

float64 x
float64 y
float64 z
float64 w

Imu.msg

#消息包含了从惯性原件中得到的数据,加速度为m/^2,角速度为rad/s
#如果所有的测量协方差已知,则需要全部填充进来如果只知道方差,则
#只填充协方差矩阵的对角数据即可
#位置:sensor_msgs/Imu.msg

Header header
Quaternion orientation
float64[9] orientation_covariance
Vector3 angular_velocity
float64[9] angular_velocity_covariance
Vector3 linear_acceleration
float64[] linear_acceleration_covariance

LaserScan.msg

#平面内的激光测距扫描数据,注意此消息类型仅仅适配激光测距设备
#如果有其他类型的测距设备(如声呐),需要另外创建不同类型的消息
#位置:sensor_msgs/LaserScan.msg

Header header            #时间戳为接收到第一束激光的时间
float32 angle_min        #扫描开始时的角度(单位为rad)
float32 angle_max        #扫描结束时的角度(单位为rad)
float32 angle_increment    #两次测量之间的角度增量(单位为rad)
float32 time_increment    #两次测量之间的时间增量(单位为s)
float32 scan_time        #两次扫描之间的时间间隔(单位为s)
float32 range_min        #距离最小值(m)
float32 range_max        #距离最大值(m)
float32[] ranges        #测距数据(m,如果数据不在最小数据和最大数据之间,则抛弃)
float32[] intensities    #强度,具体单位由测量设备确定,如果仪器没有强度测量,则数组为空即可

Point.msg

#空间中的点的位置
#文件位置:geometry_msgs/Point.msg

float64 x
float64 y
float64 z

Pose.msg

#消息定义自由空间中的位姿信息,包括位置和指向信息
#文件位置:geometry_msgs/Pose.msg

Point position
Quaternion orientation

PoseStamped.msg

#定义有时空基准的位姿
#文件位置:geometry_msgs/PoseStamped.msg

Header header
Pose pose

PoseWithCovariance.msg

#表示空间中含有不确定性的位姿信息
#文件位置:geometry_msgs/PoseWithCovariance.msg

Pose pose
float64[36] covariance

Power.msg

#表示电源状态,是否开启
#文件位置:自定义msg文件
Header header
bool power
######################
bool ON  = 1
bool OFF = 0

Twist.msg

#定义空间中物体运动的线速度和角速度
#文件位置:geometry_msgs/Twist.msg

Vector3 linear
Vector3 angular

TwistWithCovariance.msg

#消息定义了包含不确定性的速度量,协方差矩阵按行分别表示:
#沿x方向速度的不确定性,沿y方向速度的不确定性,沿z方向速度的不确定性
#绕x转动角速度的不确定性,绕y轴转动的角速度的不确定性,绕z轴转动的
#角速度的不确定性
#文件位置:geometry_msgs/TwistWithCovariance.msg

Twist twist
float64[36] covariance  #分别表示[x; y; z; Rx; Ry; Rz]

Odometry.msg

#消息描述了自由空间中位置和速度的估计值
#文件位置:nav_msgs/Odometry.msg

Header header
string child_frame_id
PoseWithCovariance pose
TwistWithCovariance twist

06 Service(服务)

  • Talker向ROS Master注册
  • Listener向ROS Master注册
  • ROS Master进行信息匹配
  • Listener与Talker建立网络连接,发送服务的请求数据
  • Talker接收请求参数,执行服务功能,执行完后,发送应答数据

总结:前三步的通信协议都是RPC,最后两步传输数据才用TCP

6.1 Service

topic(主题)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。

6.2 工作原理

简介

为了解决以上问题,service方式在通信模型上与topic做了区别。Service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包括两部分,一部分是请求方(Clinet),另一部分是应答方/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。

这种通信方式的示意图如下:
Node B是server(应答方),提供了一个服务的接口,叫做/Service,我们一般都会用string类型来指定service的名称,类似于topic。Node A向Node B发起了请求,经过处理后得到了反馈。

ROS学习笔记(八): ROS通信架构_第3张图片

过程

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。

6.3 topic VS service

名称 Topic (主题) Service(服务)
通信方式 单向异步通信 双向同步通信
实现原理 TCP/IP TCP/IP
通信模型 Publish-Subscribe Request-Reply
反馈机制
缓冲区
实时性
映射关系 Publish-Subscribe(多对多) Request-Reply( 多对一)
特点 接受者收到数据会回调( Callback) 远程过程调用( RPC)服务器端的服务
应用场景 连续、 高频的数据发布 (数据传输) 偶尔使用的功能/具体的任务(逻辑处理)
举例 激光雷达、 里程计发布数据 开关传感器、 拍照、 逆解计算

注意: 远程过程调用(Remote Procedure Call, RPC),可以简单的理解为在一个进程里调用另一个进程的函数。

6.4 操作命令

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 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 uri
rosservice 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

小结

本节我们详细介绍了service通信方式,建议与topic通信方式进行对比记忆,这样我们能更深的理解这两种通信方式,也能在以后的学习工作中更加合理使用每个通信方式,获得更高的效率。

07 Srv

7.1 简介

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。其格式声明如下:

举例:

msgs_demo/srv/DetectHuman.srv

bool start_detect
---
my_pkg/HumanPose[] pose_data

msgs_demo/msg/HumanPose.msg

std_msgs/Header header
string uuid
int32 number_of_joints
my_pkg/JointPose[]joint_data

msgs_demo/msg/JointPose.msg

string joint_name
geometry_msgs/Pose pose
floar32 confidence

DetectHUman.srv文件为例,该服务例子取自OpenNI的人体检测ROS软件包。它是用来查询当前深度摄像头中的人体姿态和关节数的。

srv文件格式很固定,第一行是请求的格式,中间用**—**隔开,第三行是应答的格式。

在本例中,请求为是否开始检测,应答为一个数组,数组的每个元素为某个人的姿态(HumanPose)。而对于人的姿态,其实是一个msg,所以srv可以嵌套msg在其中,但它不能嵌套srv。

7.2 操作命令

具体的操作指令如下表:

rossrv 命令 作用
rossrv show 显示服务描述
rossrv list 列出所有服务
rossrv md5 显示服务md5sum
rossrv package 列出包中的服务
rossrv packages 列出包含服务的包

7.3 修改部分文件

定义完了msg、srv文件,还有重要的一个步骤就是修改package.xml和修改CMakeList.txt。这些文件需要添加一些必要的依赖等,例如:

<build_depend>** message_generation **</build_depend>
<run_depend>** message_runtime **</run_depend>

上述文本中“**”所引就是新添加的依赖。又例如:

find_package(...roscpp rospy std_msgs ** message_generation **)
catkin_package(
...
CATJIN_DEPENDS ** message_runtime ** ...
...)

add_message_file(
FILES
** DetectHuman.srv **
** HumanPose.msg **
** JointPos.msg **)

** generate_messages(DEPENDENCIES std_msgs) **

添加的这些内容指定了srv或者msg在编译或者运行中需要的依赖。具体的作用我们初学者可不深究,我们需要了解的是,无论我们自定义了srv,还是msg,修改上述部分添加依赖都是必不可少的一步。

08 常见srv类型

本小节介绍常见的srv类型及其定义 srv类型相当于两个message通道,一个发送,一个接收

AddTwoInts.srv

#对两个整数求和,虚线前是输入量,后是返回量
#文件位置:自定义srv文件
int32 a
int32 b
---
int32 sum

Empty.srv

#文件位置:std_srvs/Empty.srv
#代表一个空的srv类型

---

GetMap.srv

#文件位置:nav_msgs/GetMap.srv
#获取地图,注意请求部分为空

---
nav_msgs/OccupancyGrid map

GetPlan.srv

#文件位置:nav_msgs/GetPlan.srv
#得到一条从当前位置到目标点的路径
geometry_msgs/PoseStamped start        #起始点
geometry_msgs/PoseStamped goal        #目标点
float32 tolerance    #到达目标点的x,y方向的容错距离
---
nav_msgs/Path plan

SetBool.srv

#文件位置:std_srvs/SetBools.srv
bool data # 启动或者关闭硬件
---
bool success   # 标示硬件是否成功运行
string message # 运行信息

SetCameraInfo.srv

#文件位置:sensor_msgs/SetCameraInfo.srv
#通过给定的CameraInfo相机信息,来对相机进行标定
sensor_msgs/CameraInfo camera_info        #相机信息
---
bool success            #如果调用成功,则返回true
string status_message    #给出调用成功的细节

SetMap.srv

#文件位置:nav_msgs/SetMap.srv
#以初始位置为基准,设定新的地图
nav_msgs/OccupancyGrid map
geometry_msgs/PoseWithCovarianceStamped initial_pose
---
bool success

TalkerListener.srv

#文件位置: 自定义srv文件
---
bool success   # 标示srv是否成功运行
string message # 信息,如错误信息等

Trigger.srv

#文件位置:std_srvs/Trigger.srv
---
bool success   # 标示srv是否成功运行
string message # 信息,如错误信息等

09 Parameter server

基于RPC的参数服务器

  • Talker向ROS Master设置变量参数
  • Listener向ROS Master查询参数值
  • ROS Master向Listener发送参数值

总结:通信协议都是RPC

9.1 简介

参数服务器(parameter server)。与前两种通信方式不同,参数服务器也可以说是特殊的“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,作为ROS中另外一种数据传输方式,有别于topic和service,它更加的静态。参数服务器维护着一个数据字典,字典里存储着各种参数和配置。

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,参照下图:

image-20200513175904554

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。

维护方式

参数服务器的维护方式非常的简单灵活,总的来讲有三种方式:

  • 命令行维护
  • launch文件内读写
  • node源码

下面我们来一一介绍这三种维护方式。

9.2 命令行维护

使用命令行来维护参数服务器,主要使用rosparam语句来进行操作的各种命令,如下表:

rosparam 命令 作用
rosparam set param_key param_value 设置参数
rosparam get param_key 显示参数
rosparam load file_name 从文件加载参数
rosparam dump file_name 保存参数到文件
rosparam delete 删除参数
rosparam list 列出参数名称

load&&dump文件

load和dump文件需要遵守YAML格式,YAML格式具体示例如下:

name:'Zhangsan'
age:20
gender:'M'
score{Chinese:80,Math:90}
score_history:[85,82,88,90]

简明解释。就是“名称+:+值”这样一种常用的解释方式。一般格式如下:

key : value

遵循格式进行定义参数。其实就可以把YAML文件的内容理解为字典,因为它也是键值对的形式。

9.3 launch文件内读写

launch文件中有很多标签,而与参数服务器相关的标签只有两个,一个是,另一个是。这两个标签功能比较相近,但一般只设置一个参数,请看下例:

(1) (2) (3)

观察上例比如序号3的param就定义了一个key和一个value,交给了参数服务器维护。而序号1的param只给出了key,没有直接给出value,这里的value是由后没的脚本运行结果作为value进行定义的。序号(2)就是rosparam的典型用法,先指定一个YAML文件,然后施加command,其效果等于rosparam load file_name

9.4 node源码

除了上述最常用的两种读写参数服务器的方法,还有一种就是修改ROS的源码,也就是利用API来对参数服务器进行操作。

参数类型

ROS参数服务器为参数值使用XMLRPC数据类型,其中包括:strings, integers, floats, booleans, lists, dictionaries, iso8601 dates, and base64-encoded data。

10 Action

10.1 简介

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。

10.2 通信原理

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ROS Action 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的API来请求目标(在客户端)或通过函数调用和回调来执行目标(在服务器端)。

工作模式的结构示意图如下:

什么是动作(action)

  • 一种问答通信机制;
  • 带有连续反馈;
  • 可以在任务过程中止运行;
  • 基于ROS的消息机制实现。

ROS学习笔记(八): ROS通信架构_第4张图片

通信双方在ROS Action Protocal下进行交流通信是通过接口来实现,如下图:

Action的接口

  • goal:发布任务目标;
  • cancel:请求取消任务;
  • status:通知客户端当前的状态;
  • feedback:周期反馈任务运行的监控数据;
  • result:向客户端发送任务的执行结果,只发布一次。

ROS学习笔记(八): ROS通信架构_第5张图片

我们可以看到,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(服务)没法做到的部分.

10.3 Action 规范

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。

  • 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。

  • 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。

  • 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。

10.4 Action规范文件格式

Action规范文件的后缀名是.action,它的内容格式如下:

# Define the goal
uint32 dishwasher_id  # Specify which dishwasher we want to use
---
# Define the result
uint32 total_dishes_cleaned
---
# Define a feedback message
float32 percent_complete

10.5 Action实例详解

Actionlib是一个用来实现action的一个功能包集。我们在demo中设置一个场景,执行一个搬运的action,搬运过程中客户端会不断的发回反馈信息,最终完成整个搬运过程.

本小节的演示源码在课程的演示代码包里,此处为链接.

首先写handling.action文件,类比如上的格式.包括三个部分,目标,结果,反馈.如下:

# Define the goal
uint32 handling_id 
---
# Define the result
uint32 Handling_completed
---
# Define a feedback message
float32 percent_complete

写完之后修改文件夹里CmakeLists.txt如下内容:

  1. find_package(catkin REQUIRED genmsg actionlib_msgs actionlib)
  2. add_action_files(DIRECTORY action FILES DoDishes.action) generate_messages(DEPENDENCIES actionlib_msgs)
  3. add_action_files(DIRECTORY action FILES Handling.action)
  4. generate_messages( DEPENDENCIES actionlib_msgs)

修改package.xml,添加所需要的依赖如下:

  1. actionlib
  2. actionlib_msgs
  3. actionlib
  4. actionlib_msgs

然后回到工作空间 catkin_ws进行编译.

本例中设置的action,定义了一个搬运的例子,首先写客户端,实现功能发送action请求,进行目标活动.之后写服务器,实验返回客户端活动当前状态信息,结果信息,和反馈信息.从而实现action.本例测试结果截图如下:

ROS学习笔记(八): ROS通信架构_第6张图片

小结

至此,ROS通信架构的四种通信方式就介绍结束,我们可以对比学习这四种通信方式,去思考每一种通信的优缺点和适用条件,在正确的地方用正确的通信方式,这样整个ROS的通信会更加高效,机器人也将更加的灵活和智能。机器人学会了通信,也就相当于有了“灵魂”。

11 常见action类型

本小节介绍常见的action类型以及其定义

AddTwoInts.action

#文件位置:自定义action文件
#表示将两个整数求和
int64 a
int64 b
---
int64 sum
---

AutoDocking.action

#文件位置:自定义action文件
#goal
---
#result
string text
---
#feedback
string state
string text

GetMap.action

#文件位置:nav_msgs/GetMap.action
#获取地图信息,响应部分为空

---
nav_msgs/OccupancyGrid map
---
#无返回部分

MoveBase.action

#文件位置:geometry_msgs/MoveBase.action
geometry_msgs/PoseStamped target_pose
---
---
geometry_msgs/PoseStamped base_position

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