一起自学SLAM算法：1.3 ROS系统架构

 连载文章，长期更新，欢迎关注：

---

写在前面

第1章-ROS入门必备知识

        1.1 ROS简介

        1.2 ROS开发环境搭建

        1.3 ROS系统架构

        1.4 ROS调试工具

        1.5 ROS节点通信

        1.6 ROS其他重要概念

        1.7 ROS2.0展望

第2章-C++编程范式

第3章-OpenCV图像处理

第4章-机器人传感器

第5章-机器人主机

第6章-机器人底盘

第7章-SLAM中的数学基础

第8章-激光SLAM系统

第9章-视觉SLAM系统

第10章-其他SLAM系统

第11章-自主导航中的数学基础

第12章-典型自主导航系统

第13章-机器人SLAM导航综合实战

---

安装完ROS后，很多朋友应该迫不及待想立马开始写程序。由于ROS的架构比较复杂，为了后面写起代码来容易理解遇到的各种概念，这里先讨论一下ROS的系统架构，好让大家对ROS中的各种概念有一个全面性把控。按照官方的说法，可以从计算图、文件系统和开源社区分别来理解ROS架构[1]p28~30。

1.3.1 从计算图视角理解ROS架构

ROS中可运行程序的基本单位叫节点（node），节点之间通过消息机制进行通信，这样就组成了一张网状图，也叫计算图，如图1-5所示。

 图1-5  ROS的计算图结构

节点是可运行程序，通常也叫进程。ROS功能包中创建的每个可执行程序在被启动加载到系统进程中后，该进程就是一个ROS节点，如图1-5中的节点1、节点2、节点3等。节点之间通过收发消息进行通信，消息收发机制分为话题（topic）、服务（service）和动作（action）三种，如图1-5中的节点2与节点3、节点2与节点5采用话题通信，节点2与节点4采用服务通信，节点1与节点2采用动作通信。计算图中的节点、话题、服务、动作都要有唯一名称作为标识。ROS利用节点将代码和功能解耦，提高了系统的容错性和可维护性。所以最好让每个节点都具有特定的单一功能，而不是创建一个包罗万象的庞大节点。如果用C++编写节点，需要用到ROS提供的roscpp库；如果用Python编写节点，需要用到ROS提供的rospy库。

消息是构成计算图的关键，包括消息机制和消息类型两部分。消息机制有话题、服务和动作三种，每种消息机制中传递的数据都具有指定的数据类型（即消息类型），消息类型可分为话题消息类型、服务消息类型和动作消息类型。消息机制和消息类型将在1.5节中展开讲解。

数据包（rosbag）是ROS中专门用来保存和回放话题中数据的文件，可以将一些难以收集的传感器数据用数据包录制下来，然后反复回放来进行算法性能调试。

参数服务器（parameter server）能够为整个ROS网络中的节点提供便于修改的参数。参数可以认为是节点中可供外部修改的全局变量，有静态参数和动态参数。静态参数一般在节点启动时用于设置节点工作模式；动态参数可以用在节点运行时动态配置节点或改变节点工作状态，比如电机控制节点里的PID控制参数。

主节点（master）负责各个节点之间通信过程的调度管理。因此主节点必须要最先启动，主节点通过roscore命令来启动。

1.3.2 从文件系统视角理解ROS架构

ROS程序的不同组件要放在不同的文件夹中，这些文件夹根据不同的功能对文件进行组织，这就是ROS的文件系统结构，如图1-6所示。

 图1-6  ROS的文件系统结构

工作空间是一个包含功能包、编译包和编译后可执行文件的文件夹，用户可以根据自己的需要创建多个工作空间，在每个工作空间中开发不同用途的功能包。在图1-6中，我们创建了一个名为catkin_ws的工作空间，其中包含src、build和devel三个文件夹。src这个文件夹放置各个功能包和一个用于这些功能包的CMake配置文件CMakeLists.txt。这里说明一下，由于ROS中的源码采用catkin工具进行编译，而catkin工具又是基于cmake技术的，所以我们会在src源文件空间和各个功能包中都会见到一个CMake配置文件CMakeLists.txt，这个文件就是起配置编译的作用。build这个文件夹放置CMake和catkin编译功能包时产生的缓存、配置、中间文件等。devel这个文件夹放置编译好的可执行程序，这些可执行程序是不需要安装就能直接运行的。一旦功能包源码编译和测试通过后，可以将这些编译好的可执行文件直接导出与其他开发人员分享。

功能包是ROS中软件组织的基本形式，一个功能包具有用于创建ROS程序的最小结构和最少内容，它包含ROS节点源码、脚本、配置文件等。CMakeLists.txt是功能包配置文件，用于这个功能包cmake编译时的编译配置。package.xml是功能包清单文件，用xml的标签格式标记这个功能包的各类相关信息，比如包的名称、开发者信息、依赖关系等。主要作用是为了使安装和分发功能包更容易。include/是功能包头文件目录，可以把你的功能包程序中包含的*.h头文件放在这里，include目录之所以还要加一级路径是为了更好地区分自己定义的头文件和系统标准头文件，用实际功能包的名称替代。不过这个文件夹不是必要项，比如有些程序没有头文件的情况。msg、srv和action三个文件夹分别用来存放非标准话题消息、服务消息和动作消息的定义文件，ROS支持用户自定义消息通信过程中使用的消息类型。这些自定义消息不是必要的，比如程序只使用标准消息类型的情况。scripts目录存放bash、python等脚本文件，非必须。launch目录存放节点的启动文件，*.launch文件用于启动一个或多个节点，在含有多个节点的大型项目中很有用，非必须。src目录存放功能包节点的源文件，一个功能包中可以有多个节点程序来完成不同的功能，每个节点程序都是可以单独运行的，这里用于存放这些节点程序的源文件，你可以在这里继续创建文件夹和文件来按你的需求组织源文件，源文件可以用C++、python等书写。

1.3.3 从开源社区视角理解ROS架构

ROS是开源软件，各个独立的网络社区分享和贡献软件及教程，形成了强大的ROS开源社区，如图1-7所示。

 图1-7  ROS的开源社区结构

ROS依赖于开源和共享的软件，这些代码由不同的机构共享和发布，比如GitHub源码共享、Ubuntu软件仓库发布、第三方库等。ROS的官方wiki是重要的文档讨论社区，在里面可以很方便地发布与修改相应的文档页面。ROS的answer主页里面有大量ROS开发者的提问和答案，对ROS开发中遇到的各种问题讨论很活跃。

源码仓库

• Github下载：github.com/xiihoo/Books_Robot_SLAM_Navigation

• Gitee下载（国内访问速度快）：gitee.com/xiihoo-robot/Books_Robot_SLAM_Navigation

参考文献

【1】 张虎，机器人SLAM导航核心技术与实战[M]. 机械工业出版社，2022.