01 ROS簡(jiǎn)介

可能很多初學(xué)者聽(tīng)到機(jī)器人操作系統(tǒng)，就被“操作系統(tǒng)”幾個(gè)字嚇住了。其實(shí)簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)，ROS就是一個(gè)分布式的通信框架，幫助程序進(jìn)程之間更方便地通信。

一個(gè)機(jī)器人通常包含多個(gè)部件，每個(gè)部件都有配套的控制程序，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)與視聽(tīng)功能等。那么要協(xié)調(diào)一個(gè)機(jī)器人中的這些部件，或者協(xié)調(diào)由多個(gè)機(jī)器人組成的機(jī)器人集群，怎么辦呢？這時(shí)就需要讓分散的部件能夠互相通信，在多機(jī)器人集群中，這些分散的部件還分散在不同的機(jī)器人上。解決這種分布式通信問(wèn)題正是ROS的設(shè)計(jì)初衷。

隨著越來(lái)越多的人參與ROS開(kāi)發(fā)及源碼貢獻(xiàn)，社區(qū)涌現(xiàn)出大量的第三方工具和實(shí)用開(kāi)源軟件包，使ROS變成現(xiàn)在的樣子。

一個(gè)經(jīng)常讓初學(xué)者困惑的地方是，學(xué)會(huì)了ROS就是學(xué)會(huì)機(jī)器人開(kāi)發(fā)了嗎？當(dāng)然不是，嚴(yán)格意義上講ROS只是一套通信框架而已，機(jī)器人中的各種算法和應(yīng)用程序依然是用C++、Python等常見(jiàn)編程語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)的。

1. ROS的性能特色

在正式學(xué)習(xí)ROS之前，先介紹ROS的幾個(gè)特性，即元操作系統(tǒng)、分布式通信機(jī)制、松耦合軟件框架、豐富的開(kāi)源功能庫(kù)等，來(lái)幫大家建立一些感性的認(rèn)識(shí)。

ROS是一個(gè)機(jī)器人領(lǐng)域的元操作系統(tǒng)。也就是說(shuō)，它并不是真正意義上的操作系統(tǒng)，其底層的任務(wù)調(diào)度、編譯、設(shè)備驅(qū)動(dòng)等還是由它的原生操作系統(tǒng)Ubuntu Linux完成。

ROS實(shí)際上是運(yùn)行在Ubuntu Linux上的亞操作系統(tǒng) ，或者說(shuō)軟件框架，但提供硬件抽象、函數(shù)調(diào)用、進(jìn)程管理這些類(lèi)似操作系統(tǒng)的功能，也提供用于獲取、編譯、跨平臺(tái)的函數(shù)和工具。

ROS的核心思想就是將機(jī)器人的軟件功能做成一個(gè)個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)互相發(fā)送消息進(jìn)行溝通。 這些節(jié)點(diǎn)可以部署在同一臺(tái)主機(jī)上，也可以部署在不同主機(jī)上，甚至還可以部署在互聯(lián)網(wǎng)上。ROS網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制中的主節(jié)點(diǎn)（master）負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信過(guò)程進(jìn)行管理調(diào)度，同時(shí)提供一個(gè)用于配置網(wǎng)絡(luò)中全局參數(shù)的服務(wù)。

ROS是松耦合軟件框架，利用分布式通信機(jī)制實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的進(jìn)程通信。ROS的軟件代碼以松耦合方式組織，開(kāi)發(fā)過(guò)程靈活，管理維護(hù)方便。

ROS具有豐富的開(kāi)源功能庫(kù)。ROS是基于BSD（Berkeley Software Distribution，伯克利軟件發(fā)行）協(xié)議的開(kāi)源軟件，允許任何人修改、重用、重發(fā)布以及在商業(yè)和閉源產(chǎn)品中使用，使用ROS能夠快捷地搭建自己的機(jī)器人原型。

2. ROS的發(fā)行版本

與Linux發(fā)行版類(lèi)似，ROS發(fā)行版內(nèi)置了一系列常用功能包，即將ROS系統(tǒng)打包安裝到原生系統(tǒng)中。ROS最初是基于Ubuntu系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的，ROS的發(fā)行版本名稱(chēng)也和Ubuntu采用了同樣的規(guī)則，即版本名稱(chēng)由兩個(gè)相同首字母的英文單詞組成，版本首字母按字母表遞增順序選取，圖1-1展示了ROS的一些主要版本。

▲圖1-1 ROS的主要版本

3. ROS的學(xué)習(xí)方法

要想學(xué)好以及用好ROS，需要進(jìn)行大量的實(shí)踐操作。因此在快速了解ROS的核心概念和編程范式后，就要結(jié)合大量的實(shí)際項(xiàng)目來(lái)深入理解ROS。學(xué)會(huì)用正確的方式解決問(wèn)題，能幫你更快地提高能力。ROS的學(xué)習(xí)資源主要有以下幾個(gè)。

• 官網(wǎng)：www.ros.org
• 源碼：github.com
• Wiki：wiki.ros.org
• 問(wèn)答：answers.ros.org

02 ROS系統(tǒng)架構(gòu)

安裝完ROS后，很多朋友應(yīng)該迫不及待想立馬開(kāi)始寫(xiě)程序。由于ROS的架構(gòu)比較復(fù)雜，為了后面容易理解遇到的各種概念，這里先討論一下ROS的系統(tǒng)架構(gòu)，好讓大家對(duì)ROS中的各種概念有全面性把控。按照官方的說(shuō)法，可以分別從 計(jì)算圖 、文件系統(tǒng)和開(kāi)源社區(qū)視角來(lái)理解ROS架構(gòu)。

1. 從計(jì)算圖視角理解ROS架構(gòu)

ROS中可執(zhí)行程序的基本單位叫 節(jié)點(diǎn) （node），節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)消息機(jī)制進(jìn)行通信，這樣就組成了一張網(wǎng)狀圖，也叫計(jì)算圖，如圖1-3所示。

▲圖1-3 ROS的計(jì)算圖結(jié)構(gòu)

節(jié)點(diǎn)是可執(zhí)行程序，通常也叫進(jìn)程。ROS功能包中創(chuàng)建的每個(gè)可執(zhí)行程序在被啟動(dòng)加載到系統(tǒng)進(jìn)程中后，就是一個(gè)ROS節(jié)點(diǎn)，如圖1-3中的節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)3等。

節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)收發(fā)消息進(jìn)行通信，消息收發(fā)機(jī)制分為 話題 （topic）、 服務(wù) （service）和 動(dòng)作 （action）三種，如圖1-3中的節(jié)點(diǎn)2與節(jié)點(diǎn)3、節(jié)點(diǎn)2與節(jié)點(diǎn)5采用話題通信，節(jié)點(diǎn)2與節(jié)點(diǎn)4采用服務(wù)通信，節(jié)點(diǎn)1與節(jié)點(diǎn)2采用動(dòng)作通信。計(jì)算圖中的節(jié)點(diǎn)、話題、服務(wù)、動(dòng)作都要有唯一名稱(chēng)作為標(biāo)識(shí)。

ROS利用節(jié)點(diǎn)將代碼和功能解耦，提高了系統(tǒng)的容錯(cuò)性和可維護(hù)性。所以最好讓每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有特定的單一功能，而不是創(chuàng)建一個(gè)包羅萬(wàn)象的龐大節(jié)點(diǎn)。如果用C++編寫(xiě)節(jié)點(diǎn)，需要用到ROS提供的roscpp庫(kù)；如果用Python編寫(xiě)節(jié)點(diǎn)，需要用到ROS提供的rospy庫(kù)。

消息是構(gòu)成計(jì)算圖的關(guān)鍵，包括消息機(jī)制和消息類(lèi)型兩部分。消息機(jī)制有話題、服務(wù)和動(dòng)作三種，每種消息機(jī)制中傳遞的數(shù)據(jù)都具有特定的數(shù)據(jù)類(lèi)型（即消息類(lèi)型），消息類(lèi)型可分為話題消息類(lèi)型、服務(wù)消息類(lèi)型和動(dòng)作消息類(lèi)型。消息機(jī)制和消息類(lèi)型將在1.5節(jié)中展開(kāi)講解。

數(shù)據(jù)包 （rosbag）是ROS中專(zhuān)門(mén)用來(lái)保存和回放話題中數(shù)據(jù)的文件，可以將一些難以收集的傳感器數(shù)據(jù)用數(shù)據(jù)包錄制下來(lái)，然后反復(fù)回放來(lái)進(jìn)行算法性能調(diào)試。

參數(shù)服務(wù)器能夠?yàn)檎麄€(gè)ROS網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)提供便于修改的參數(shù)。參數(shù)可以認(rèn)為是節(jié)點(diǎn)中可供外部修改的全局變量，有靜態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)。靜態(tài)參數(shù)一般用于在節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)設(shè)置節(jié)點(diǎn)工作模式；動(dòng)態(tài)參數(shù)可以用于在節(jié)點(diǎn)運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)配置節(jié)點(diǎn)或改變節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)，比如電機(jī)控制節(jié)點(diǎn)里的PID控制參數(shù)。

主節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間通信過(guò)程的調(diào)度管理。因此主節(jié)點(diǎn)必須要最先啟動(dòng)，可以通過(guò)roscore命令啟動(dòng)。

2. 從文件系統(tǒng)視角理解ROS架構(gòu)

ROS程序的不同組件要放在不同的文件夾中，這些文件夾根據(jù)不同的功能對(duì)文件進(jìn)行組織，這就是ROS的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1-4所示。

▲圖1-4 ROS的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

工作空間是一個(gè)包含功能包、編譯包和編譯后可執(zhí)行文件的文件夾，用戶可以根據(jù)自己的需要?jiǎng)?chuàng)建多個(gè)工作空間，在每個(gè)工作空間中開(kāi)發(fā)不同用途的功能包。在圖1-4中，我們創(chuàng)建了一個(gè)名為catkin_ws的工作空間，其中包含src、build和devel三個(gè)文件夾。

• src文件夾放置各個(gè)功能包和配置功能包的CMake配置文件CMakeLists.txt。這里說(shuō)明一下，由于ROS中的源碼采用catkin工具進(jìn)行編譯，而catkin工具又基于CMake技術(shù)，所以我們?cè)趕rc源文件空間和各個(gè)功能包中都會(huì)見(jiàn)到一個(gè)CMake配置文件CMakeLists.txt，這個(gè)文件起到配置編譯的作用。
• build文件夾放置編譯CMake和catkin功能包時(shí)產(chǎn)生的緩存、配置、中間文件等。
• devel文件夾放置編譯好的可執(zhí)行程序，這些可執(zhí)行程序是不需要安裝就能直接運(yùn)行的。一旦功能包源碼編譯和測(cè)試通過(guò)后，可以將這些編譯好的可執(zhí)行文件直接導(dǎo)出與其他開(kāi)發(fā)人員分享。

功能包是ROS中軟件組織的基本形式，具有創(chuàng)建ROS程序的最小結(jié)構(gòu)和最少內(nèi)容，它包含ROS節(jié)點(diǎn)源碼、腳本、配置文件等。

1. CMakeLists.txt是功能包配置文件，用于編譯Cmake功能包編譯時(shí)的編譯配置。
2. package.xml是功能包清單文件，用xml的標(biāo)簽格式標(biāo)記該功能包的各類(lèi)相關(guān)信息，比如包的名稱(chēng)、開(kāi)發(fā)者信息、依賴(lài)關(guān)系等，主要是為了使功能包的安裝和分發(fā)更容易。
3. include/是功能包頭文件目錄，可以把功能包程序中包含的*.h頭文件放在這里。include目錄之所以還要加一級(jí)路徑是為了更好地區(qū)分自己定義的頭文件和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)頭文件，用實(shí)際功能包的名稱(chēng)替代。不過(guò)這個(gè)文件夾不是必要項(xiàng)，比如有些程序沒(méi)有頭文件。
4. msg、srv和action這三個(gè)文件夾分別用于存放非標(biāo)準(zhǔn)話題消息、服務(wù)消息和動(dòng)作消息的定義文件。ROS支持用戶自定義消息通信過(guò)程中使用的消息類(lèi)型。這些自定義消息不是必要的，比如程序只使用標(biāo)準(zhǔn)消息類(lèi)型。
5. scripts目錄存放Bash、Python等腳本文件，為非必要項(xiàng)。
6. launch目錄存放節(jié)點(diǎn)的啟動(dòng)文件，*.launch文件用于啟動(dòng)一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)，在含有多個(gè)節(jié)點(diǎn)的大型項(xiàng)目中很有用，為非必要項(xiàng)。
7. src目錄存放功能包節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的源代碼，一個(gè)功能包中可以有多個(gè)節(jié)點(diǎn)程序來(lái)完成不同的功能，每個(gè)節(jié)點(diǎn)程序都可以單獨(dú)運(yùn)行。這里src目錄存放的是這些節(jié)點(diǎn)程序的源代碼，你可以按需創(chuàng)建文件夾和文件來(lái)組織源代碼，源代碼可以用C++、Python等編寫(xiě)。

3. 從開(kāi)源社區(qū)視角理解ROS架構(gòu)

ROS是開(kāi)源軟件，各個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)社區(qū)分享和貢獻(xiàn)軟件及教程，形成了強(qiáng)大的ROS開(kāi)源社區(qū)，如圖1-5所示。

▲圖1-5 ROS的開(kāi)源社區(qū)結(jié)構(gòu)

ROS的發(fā)展依賴(lài)于開(kāi)源和共享的軟件，這些代碼由不同的機(jī)構(gòu)共享和發(fā)布，比如GitHub源碼共享、Ubuntu軟件倉(cāng)庫(kù)發(fā)布、第三方庫(kù)等。ROS的官方wiki是重要的文檔討論社區(qū)，在里面可以很方便地發(fā)布與修改相應(yīng)的文檔頁(yè)面。ROS的answer主頁(yè)里有大量ROS開(kāi)發(fā)者的提問(wèn)和回答，對(duì)ROS開(kāi)發(fā)中遇到的各種問(wèn)題的討論很活躍。

關(guān)于作者：張虎，深圳市睿思智行科技有限公司CEO。曾就職于深圳市智能機(jī)器人研究院，主持機(jī)器人自主導(dǎo)航方面的研究項(xiàng)目。工作期間以網(wǎng)名“小虎哥哥愛(ài)學(xué)習(xí)”在知乎、CSDN、bilibili等平臺(tái)創(chuàng)作了大量機(jī)器人SLAM導(dǎo)航相關(guān)的優(yōu)質(zhì)博客文章及視頻教程，深受廣大網(wǎng)友的喜愛(ài)。他對(duì)強(qiáng)人工智能的研究非常感興趣，并致力于將具有先進(jìn)智能的機(jī)器人進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化落地。

本文摘編自《機(jī)器人SLAM導(dǎo)航：核心技術(shù)與實(shí)戰(zhàn)》，經(jīng)出版方授權(quán)發(fā)布。（ISBN：9787111697428）

《機(jī)器人SLAM導(dǎo)航：核心技術(shù)與實(shí)戰(zhàn)》

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