SLAM+语音机器人DIY系列：（二）ROS入门——2.ROS系统整体架构

摘要                                          

ROS机器人操作系统在机器人应用领域很流行，依托代码开源和模块间协作等特性，给机器人开发者带来了很大的方便。我们的机器人“miiboo”中的大部分程序也采用ROS进行开发，所以本文就重点对ROS基础知识进行详细的讲解，给不熟悉ROS的朋友起到一个抛砖引玉的作用。本章节主要内容：

1.ROS是什么

2.ROS系统整体架构

3.在ubuntu16.04中安装ROS kinetic

4.如何编写ROS的第一个程序hello_world

5.编写简单的消息发布器和订阅器

6.编写简单的service和client

7.理解tf的原理

8.理解roslaunch在大型项目中的作用

9.熟练使用rviz

10.在实际机器人上运行ROS高级功能预览

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2.ROS系统整体架构                  

由于ROS系统的组织架构比较复杂，简单从一个方面来说明很难说清楚。按照ROS官方的说法，我们可以从3个方面来理解ROS系统整体架构，这3个方面分别是文件系统级、计算图级、开源社区级。

2.1.从文件系统级理解ROS架构     

如果你是刚刚接手ROS方面的开发或项目，你肯定会觉得ROS中的各种概念非常奇怪，但是当你对ROS的使用熟练之后，你就觉得这些概念很好理解了。与其他操作系统相似，一个ROS程序的不同组件要被放在不同的文件夹下，这些文件夹是根据不同的功能来对文件进行组织的，如图3。

 

（图3）文件系统级理解ROS架构

（1）工作空间

工作空间是一个包含功能包、可编辑源文件和编译包的文件夹，当你想同时编译不同的功能包时非常有用，并且可以保存本地开发包。当然，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。不过作为学习，我们先以一个工作空间为例。如图3，我们创建了一个名为catkin_ws的工作空间，该工作空间下会有3个文件夹：src、build、devel。

src源文件空间：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。这里做一下说明，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文件CMakeLists.txt，这个文件就是起编译配置的作用。

build编译空间：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开发空间：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。

（2）功能包

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，它可以包含ROS运行的进程（节点）、配置文件等。如图3，一个功能包中主要包含这几个文件：

CMakeLists.txt功能包配置文件：用于这个功能包cmake编译时的配置文件。

package.xml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、依赖关系等。主要作用是为了更容易的安装和分发功能包。

include/功能包头文件目录：你可以把你的功能包程序包含的*.h头文件放在这里，include下之所以还要加一级路径是为了更好的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非标准消息定义目录：消息是ROS中一个进程（节点）发送到其他进程（节点）的信息，消息类型是消息的数据结构，ROS系统提供了很多标准类型的消息可以直接使用，如果你要使用一些非标准类型的消息，就需要自己来定义该类型的消息，并把定义的文件放在这里。不过这个文件夹不是必要项，比如程序中只使用标准类型的消息的情况。

srv服务类型定义目录：服务是ROS中进程（节点）间的请求/响应通信过程，服务类型是服务请求/响应的数据结构，服务类型的定义放在这里。如果要调用此服务，你需要使用该功能包名称和服务名称。不过这个文件夹不是必要项，比如程序中不使用服务的情况。

scripts可执行脚本文件存放目录：这里用于存放bash、python或其他脚本的可执行文件。不过这个文件夹不是必要项，比如程序中不使用可执行脚本的情况。

launch文件目录：这里用于存放*.launch文件，*.launch文件用于启动ROS功能包中的一个或多个节点，在含有多个节点启动的大型项目中很有用。不过这个文件夹不是必要项，节点也可以不通过launch文件启动。

src功能包中节点源文件存放目录：一个功能包中可以有多个进程（节点）程序来完成不同的功能，每个进程（节点）程序都是可以单独运行的，这里用于存放这些进程（节点）程序的源文件，你可以在这里再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等来书写。

为了创建、修改、使用功能包，ROS给我们提供了一些实用的工具，常用的有下面这些工具。

rospack：用于获取信息或在系统中查找工作空间。

catkin_create_pkg：用于在工作空间的src源空间下创建一个新的功能包。

catkin_make：用于编译工作空间中的功能包。

rosdep：用于安装功能包的系统依赖项。

rqt_dep：用于查看功能包的依赖关系图。

关于这些工具命令的具体使用方法，会在后面的章节中结合实例进行具体的讲解。这里只是先介绍给大家，让大家有个概念上的了解，感兴趣的朋友也可以自己上网了解这些命令的具体用法。

（3）消息

消息是ROS中一个进程（节点）发送到其他进程（节点）的信息，消息类型是消息的数据结构，ROS系统提供了很多标准类型的消息可以直接使用，如果你要使用一些非标准类型的消息，就需要自己来定义该类型的消息。

ROS使用了一种精简的消息类型描述语言来描述ROS进程（节点）发布的数据值。通过这种描述语言对消息类型的定义，ROS可以在不同的编程语言（如c++、python等）书写的程序中使用此消息。不管是ROS系统提供的标准类型消息，还是用户自定义的非标准类型消息，定义文件都是以*.msg作为扩展名。消息类型的定义分为两个主要部分：字段的数据类型和字段的名称，简单点说就是结构体中的变量类型和变量名称。比如下面的一个示例消息定义文件example.msg的内容，如图4，int32、float32、string就是字段的数据类型，id、vel、name就是字段的名称。

（图4）一个示例消息定义文件

在大多数情况下，我们都可以使用ROS系统提供的标准类型的消息来完成任务，这得益于ROS系统提供了丰富的标准类型的消息。经常用到的类型包括：基本类型（std_msgs）、通用类型（sensor_msgs、geometry_msgs、nav_msgs、actionlib_msgs），如图5。

（图5）ROS系统提供的常用标准类型的消息

不难发现std_msgs下面定义的是经ROS封装后的最基本的数据类型，比如Bool、Char、Int16等；sensor_msgs下面定义的是跟传感器数据相关的数据类型，比如Image对应的就是摄像头的数据类型，Imu对应的就是IMU传感器的数据类型，LaserScan对应的就是激光雷达的数据类型，PointCloud对应的就是点云扫描传感器（如深度相机）的数据类型，Range对应的就是距离测量传感器（如超声波、红外测距）的数据类型；geometry_msgs下定义的是跟几何有关的数据类型，比如Pose用来描述机器人在空间的位姿，Quaternion用四元数描述空间方向，Transform用来描述不同坐标系之间的转移关系，Twist用来描述机器人运动时的位姿、速度等状态信息；nav_msgs下定义的是跟机器人导航相关的数据类型，比如OccupancyGrid是栅格地图的数据类型，Odometry是机器人通过轮式码盘或其他方式融合得到的里程计的数据类型，Path是路径规划算法计算得到的导航路劲的数据类型；actionlib_msgs下定义的是actionlib控制过程相关的数据类型，比如GoalID描述发送出去的导航目标的ID号，GoalStatus描述执行导航目标过程的过程状态信息。如果想了解更多ROS系统的消息类型的细节，最好的方式是去ROS wiki看官方的文档，链接如下：

http://wiki.ros.org/std_msgs/

http://wiki.ros.org/common_msgs/

（4）服务

服务是ROS中进程（节点）间的请求/响应通信过程，服务类型是服务请求/响应的数据结构。服务类型的定义借鉴了消息类型的定义方式，所以这里就不在赘述了。区别在于，消息数据是ROS进程（节点）间多对多广播式通信过程中传递的信息；服务数据是ROS进程（节点）间点对点的请求/响应通信过程传递的信息。

2.2.从计算图级理解ROS架构       

ROS会创建一个连接所有进程（节点）的网络，其中的任何进程（节点）都可以访问此网络，并通过该网络与其他进程（节点）交互，获取其他进程（节点）发布的信息，并将自身数据发布到网络上，这个计算图网络中的节点（node）、主题（topic）、服务（server）等都要有唯一的名称做标识，如图6。

（图6）计算图级理解ROS架构

（1）节点

节点是主要的计算执行进程，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6中的node1、node2、node3等都是节点（node）。节点都是各自独立的可执行文件，能够通过主题（topic）、服务（server）或参数服务器（parameter server）与其他节点通信。ROS通过使用节点将代码和功能解耦，提高了系统的容错力和可维护性。所以你最好让每一个节点都具有特定的单一的功能，而不是创建一个包罗万象的大节点。节点如果用c++进行编写，需要用到ROS提供的库roscpp；节点如果用python进行编写，需要用到ROS提供的库rospy。

ROS提供了处理节点的工具，用于节点信息、状态、可用性等的查询操作，例如可以用下面的命令对正在运行的节点进行操作。

rosnode info ：用于输出当前节点信息。

rosnode kill ：用于杀死正在运行节点进程来结束节点的运行。

rosnode list：用于列出当前活动的节点。

rosnode machine ：用于列出指定计算机上运行的节点。

rosnode ping ：用于测试节点间的网络连通性。

rosnode cleanup：用于将无法访问节点的注册信息清除。

关于这些工具命令的具体使用方法，会在后面的章节中结合实例进行具体的讲解。这里只是先介绍给大家，让大家有个概念上的了解，感兴趣的朋友也可以自己上网了解这些命令的具体用法。

（2）消息

节点通过消息（message）完成彼此的沟通。消息包含一个节点发送给其他节点的信息数据。关于消息类型的知识在前面已经讲述了，这里就不再展开。

ROS提供了获取消息相关信息的命令工具，这里列举出一些常用的命令，来具体看看吧。

rosmsg show ：用于显示一条消息的字段。

rosmsg list：用于列出所有消息。

rosmsg package ：用于列出功能包的所有消息。

rosmsg packages：用于列出所有具有该消息的功能包。

rosmsg users ：用于搜索使用该消息类型的代码文件。

rosmsg md5 ：用于显示一条消息的MD5求和结果。

关于这些工具命令的具体使用方法，会在后面的章节中结合实例进行具体的讲解。这里只是先介绍给大家，让大家有个概念上的了解，感兴趣的朋友也可以自己上网了解这些命令的具体用法。

（3）主题

每个消息都必须发布到相应的主题（topic），通过主题来实现在ROS计算图网络中的路由转发。当一个节点发送数据时，我们就说该节点正在向主题发布消息；节点可以通过订阅某个主题，接收来自其他节点的消息。通过主题进行消息路由不需要节点之间直接连接，这就意味着发布者节点和订阅者节点之间不需要知道彼此是否存在，这样就保证了发布者节点与订阅者节点之间的解耦合。同一个主题可以有多个订阅者也可以有多个发布者，不过要注意必须使用不同的节点发布同一个主题。每个主题都是强类型的，不管是发布消息到主题还是从主题中订阅消息，发布者和订阅者定义的消息类型必须与主题的消息类型相匹配。

ROS提供了操作主题的命令工具，这里列举出一些常用的命令，来具体看看吧。

rostopic bw ：用于显示主题所使用的带宽。

rostopic echo ：用于将主题中的消息数据输出到屏幕。

rostopic find ：用于按照消息类型查找主题。

rostopic hz ：用于显示主题的发布频率。

rostopic info ：用于输出活动主题、发布的主题、主题订阅者和服务的信息。

rostopic list：用于列出当前活动主题的列表。

rostopic pub ：用于通过命令行将数据发布到主题。

rostopic type ：用于输出主题中发布的消息类型。

关于这些工具命令的具体使用方法，会在后面的章节中结合实例进行具体的讲解。这里只是先介绍给大家，让大家有个概念上的了解，感兴趣的朋友也可以自己上网了解这些命令的具体用法。

（4）服务

在一些特殊的场合，节点间需要点对点的高效率通信并及时获取应答，这个时候就需要用服务的方式进行交互。提供服务的节点叫服务端，向服务端发起请求并等待响应的节点叫客户端，客户端发起一次请求并得到服务端的一次响应，这样就完成了一次服务通信过程，例如图6中，node1向node3发起一次请求，并得到node3返回给node1的响应。服务通信过程中服务的数据类型需要用户自己定义，与消息不同，节点并不提供标准服务类型。服务类型的定义文件都是以*.srv为扩展名，并且被放在功能包的srv/文件夹下。

ROS提供了操作服务的命令工具，这里列举出一些常用的命令，来具体看看吧。

rosservice call ：用于通过命令行参数调用服务。

rosservice find ：用于根据服务类型查询服务。

rosservice info ：用于输出服务信息。

rosservice list：用于列出活动服务清单。

rosservice type ：用于输出服务类型。

rosservice uri ：用于输出服务的ROSRPC URI。

关于这些工具命令的具体使用方法，会在后面的章节中结合实例进行具体的讲解。这里只是先介绍给大家，让大家有个概念上的了解，感兴趣的朋友也可以自己上网了解这些命令的具体用法。

（5）节点管理器

节点管理器（master）用于节点的名称注册和查找等，也负责设置节点间的通信。如果在你的整个ROS系统中没有节点管理器，就不会有节点、消息、服务之间的通信。由于ROS本身就是一个分布式的网络系统，所以你可以在某台计算机上运行节点管理器，在这台计算机和其他台计算机上运行节点。

ROS中提供了跟节点管理器相关的命令行工具，就是roscre。

roscore：用于启动节点管理器，这个命令会加载ROS节点管理器和其他ROS核心组件。

关于这些工具命令的具体使用方法，会在后面的章节中结合实例进行具体的讲解。这里只是先介绍给大家，让大家有个概念上的了解，感兴趣的朋友也可以自己上网了解这些命令的具体用法。

（6）参数服务器

参数服务器（parameter server）能够使数据通过关键词存储在一个系统的核心位置。通过使用参数，就能够在节点运行时动态配置节点或改变节点的工作任务。参数服务器是可通过网络访问的共享的多变量字典，节点使用此服务器来存储和检索运行时的参数。

ROS中关于参数服务器的命令行工具，请看下面的常用命令。

rosparam list：用于列出参数服务器中的所有参数。

rosparam get ：用于获取参数服务器中的参数值。

rosparam set ：用于设置参数服务器中参数的值。

rosparam delete ：用于将参数从参数服务器中删除。

rosparam dump ：用于将参数服务器的参数保存到一个文件。

rosparam load ：用于从文件将参数加载到参数服务器。

关于这些工具命令的具体使用方法，会在后面的章节中结合实例进行具体的讲解。这里只是先介绍给大家，让大家有个概念上的了解，感兴趣的朋友也可以自己上网了解这些命令的具体用法。

（7）消息记录包

消息记录包（bag）是一种用于保存和回放ROS消息数据的文件格式。消息记录包是一种用于存储数据的重要机制，它可以帮助记录一些难以收集的传感器数据，然后通过反复回放数据进行算法的性能开发和测试。ROS创建的消息记录包文件以*.bag为扩展名，通过播放、停止、后退操作该文件，可以像实时会话一样在ROS中再现情景，便于算法的反复调试。

ROS提供消息记录包相关的命令行工具，请看下面的常用命令。

rosbag ：用来录制、播放和执行操作。

关于这些工具命令的具体使用方法，会在后面的章节中结合实例进行具体的讲解。这里只是先介绍给大家，让大家有个概念上的了解，感兴趣的朋友也可以自己上网了解这些命令的具体用法。

2.3.从开源社区级理解ROS架构     

ROS开源社区级的概念主要是ROS资源，即通过各个独立的网络社区分享ROS方面的软件和知识。

（1）ROS发行版

ROS发行版跟Linux发行版起类似的作用，ROS发行版是内置了一系列常用功能包的ROS系统安装包，可以被直接安装到我们的操作系统中。如图7，是ROS的各个发行版。

（图7）ROS的各个发行版

（2）ROS软件代码库

ROS依赖于开源或共享软件的源代码，这些代码由不同的机构共享与发布，比如github源码共享，ubuntu软件仓库等等。如图8，是ROS软件代码库的社区组织形式。

（图8）ROS软件代码库的社区组织形式

（3）ROS文档社区

ROS wiki是记录有关ROS系统各种文档的主要论坛社区，任何人都可以注册账户、贡献自己的文件、提供更正或更新、编写教程及其他行为。感兴趣可以进入ROS wiki的主页面瞧瞧http://wiki.ros.org/。

（4）ROS问答社区

ROS开发者可以通过这个资源去提问和寻找ROS相关的答案，ROS Answer主页面

https://answers.ros.org/。

后记                                        

------SLAM+语音机器人DIY系列【目录】快速导览------

第1章：Linux基础

1.Linux简介

2.安装Linux发行版ubuntu系统

3.Linux命令行基础操作

第2章：ROS入门

1.ROS是什么

2.ROS系统整体架构

3.在ubuntu16.04中安装ROS kinetic

4.如何编写ROS的第一个程序hello_world

5.编写简单的消息发布器和订阅器

6.编写简单的service和client

7.理解tf的原理

8.理解roslaunch在大型项目中的作用

9.熟练使用rviz

10.在实际机器人上运行ROS高级功能预览

第3章：感知与大脑

1.ydlidar-x4激光雷达

2.带自校准九轴数据融合IMU惯性传感器

3.轮式里程计与运动控制

4.音响麦克风与摄像头

5.机器人大脑嵌入式主板性能对比

6.做一个能走路和对话的机器人

第4章：差分底盘设计

1.stm32主控硬件设计

2.stm32主控软件设计

3.底盘通信协议

4.底盘ROS驱动开发

5.底盘PID控制参数整定

6.底盘里程计标

第5章：树莓派3开发环境搭建

1.安装系统ubuntu_mate_16.04

2.安装ros-kinetic

3.装机后一些实用软件安装和系统设置

4.PC端与robot端ROS网络通信

5.Android手机端与robot端ROS网络通信

6.树莓派USB与tty串口号绑定

7.开机自启动ROS节点

第6章：SLAM建图与自主避障导航

1.在机器人上使用传感器

2.google-cartographer机器人SLAM建图

3.ros-navigation机器人自主避障导航

4.多目标点导航及任务调度

5.机器人巡航与现场监控

第7章：语音交互与自然语言处理

1.语音交互相关技术

2.机器人语音交互实现

3.自然语言处理云计算引擎

第8章：高阶拓展

1.miiboo机器人安卓手机APP开发

2.centos7下部署Django(nginx+uwsgi+django+python3)

----------------文章将持续更新，敬请关注-----------------

 

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