機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS詳細(xì)介紹

ROS（機(jī)器人操作系統(tǒng)，RobotOperatingSystem），是專為機(jī)器人軟件開發(fā)所設(shè)計出來的一套電腦操作系統(tǒng)架構(gòu)。它是一個開源的元級操作系統(tǒng)（后操作系統(tǒng)），提供類似于操作系統(tǒng)的服務(wù)，包括硬件抽象描述、底層驅(qū)動程序管理、共用功能的執(zhí)行、程序間消息傳遞、程序發(fā)行包管理，它也提供一些工具和庫用于獲取、建立、編寫和執(zhí)行多機(jī)融合的程序。
　　ROS的運(yùn)行架構(gòu)是一種使用ROS通信模塊實現(xiàn)模塊間P2P的松耦合的網(wǎng)絡(luò)連接的處理架構(gòu)，它執(zhí)行若干種類型的通訊，包括基于服務(wù)的同步RPC（遠(yuǎn)程過程調(diào)用）通訊、基于Topic的異步數(shù)據(jù)流通訊，還有參數(shù)服務(wù)器上的數(shù)據(jù)存儲。
　　發(fā)展目標(biāo)
　　ROS的首要設(shè)計目標(biāo)是在機(jī)器人研發(fā)領(lǐng)域提高代碼復(fù)用率。ROS是一種分布式處理框架（又名Nodes）。這使可執(zhí)行文件能被單獨(dú)設(shè)計，并且在運(yùn)行時松散耦合。這些過程可以封裝到數(shù)據(jù)包（Packages）和堆棧（Stacks）中，以便于共享和分發(fā)。ROS還支持代碼庫的聯(lián)合系統(tǒng)。使得協(xié)作亦能被分發(fā)。這種從文件系統(tǒng)級別到社區(qū)一級的設(shè)計讓獨(dú)立地決定發(fā)展和實施工作成為可能。上述所有功能都能由ROS的基礎(chǔ)工具實現(xiàn)。
　　為了實現(xiàn)“共享與協(xié)作”這一首要目標(biāo)，人們制訂了ROS架構(gòu)中的其他支援性目標(biāo)：
　　“輕便”：ROS是設(shè)計得盡可能方便簡易。您不必替換主框架與系統(tǒng)，因為ROS編寫的代碼可以用于其他機(jī)器人軟件框架中。毫無疑問的，ROS更易于集成與其他機(jī)器人軟件框架。事實上ROS已完成與OpenRAVE、Orocos和Player的整合。
　　ROS-agnostic庫：【agnostic：不可知論】建議的開發(fā)模型是使用clear的函數(shù)接口書寫ROS-agnostic庫。
　　語言獨(dú)立性：ROS框架很容易在任何編程語言中執(zhí)行。我們已經(jīng)能在Python和C++中順利運(yùn)行，同時添加有Lisp、Octave和Java語言庫。
　　測試簡單：ROS有一個內(nèi)建的單元/組合集測試框架，稱為“rostest”。這使得集成調(diào)試和分解調(diào)試很容易。
　　擴(kuò)展性：ROS適合于大型實時系統(tǒng)與大型的系統(tǒng)開發(fā)項目。

　　ROS的概念
　　ROS有三個層次的概念：分別為Filesystemlevel，Computationgraphlevel，以及Communicationlevel。以下內(nèi)容具體的總結(jié)了這些層次及概念。除了這三個層次的概念，ROS也定義了兩種名稱--Package資源名稱和Graph資源名稱。同樣會在以下內(nèi)容中提及。
　　ROS的FilesystemLevel
　　文件系統(tǒng)層概念就是你在盤片里面遇到的資源，例如：
　　Packages：ROS的基本組織，可以包含任意格式文件。一個Package可以包含ROS執(zhí)行時處理的文件（nodes），一個ROS的依賴庫，一個數(shù)據(jù)集合，配置文件或一些有用的文件在一起。
　　Manifests：Manifests(manifest.xml)提供關(guān)于Package元數(shù)據(jù)，包括它的許可信息和Package之間依賴關(guān)系，以及語言特性信息像編譯旗幟（編譯優(yōu)化參數(shù)）。
　　Stacks：Stacks是Packages的集合，它提供一個完整的功能，像“navigationstack”Stack與版本號關(guān)聯(lián)，同時也是如何發(fā)行ROS軟件方式的關(guān)鍵。
　　ManifestStackManifests：Stackmanifests(stack.xml)提供關(guān)于Stack元數(shù)據(jù)，包括它的許可信息和Stack之間依賴關(guān)系。
　　Message(msg)types：信息描述，位置在路徑：my_package/msg/MyMessageType.msg，定義數(shù)據(jù)類型在ROS的messagesROS里面。
　　Service(srv)types：服務(wù)描述，位置在路徑：my_package/srv/MyServiceType.srv，定義這個請求和相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在ROSservices里面。
　　ROS的ComputationGraphLevel
　　ComputationGraphLevel（計算圖）就是用ROS的P2P（peer-to-peer網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議）網(wǎng)絡(luò)集中處理所有的數(shù)據(jù)。基本的ComputationGraph的概念包括Node，Master，ParameterSever，messages，services，topics，和bags，以上所有的這些都以不同的方式給Graph傳輸數(shù)據(jù)。

　　Nodes：Nodes（節(jié)點(diǎn)）是一系列運(yùn)行中的程序。ROS被設(shè)計成在一定顆粒度下的模塊化系統(tǒng)。一個機(jī)器人控制系統(tǒng)通常包含許多Nodes。比如一個Node控制激光雷達(dá)，一個Node控制車輪馬達(dá)，一個Node處理定位，一個Node執(zhí)行路徑規(guī)劃，另外一個提供圖形化界面等等。一個ROS節(jié)點(diǎn)是由LibrariesROSclientlibrary寫成的，例如roscpp和rospy.
　　Master：ROSMaster提供了登記列表和對其他計算圖的查找。沒有Master，節(jié)點(diǎn)將無法找到其他節(jié)點(diǎn)，交換消息或調(diào)用服務(wù)。
　　ServerParameterServer：參數(shù)服務(wù)器使數(shù)據(jù)按照鑰匙的方式存儲。目前，參數(shù)服務(wù)器是主持的組成部分。
　　Messages：節(jié)點(diǎn)之間通過messages來傳遞消息。一個message是一個簡單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包含一些歸類定義的區(qū)。支持標(biāo)準(zhǔn)的原始數(shù)據(jù)類型（整數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)、布爾數(shù)，等）和原始數(shù)組類型。message可以包含任意的嵌套結(jié)構(gòu)和數(shù)組（很類似于C語言的結(jié)構(gòu)structs）
　　Topics：Messages以一種發(fā)布/訂閱的方式傳遞。一個node可以在一個給定的topic中發(fā)布消息。Topic是一個name被用于描述消息內(nèi)容。一個node針對某個topic關(guān)注與訂閱特定類型的數(shù)據(jù)。可能同時有多個node發(fā)布或者訂閱同一個topic的消息；也可能有一個topic同時發(fā)布或訂閱多個topic。總體上，發(fā)布者和訂閱者不了解彼此的存在。主要的概念在于將信息的發(fā)布者和需求者解耦、分離。邏輯上，topic可以看作是一個嚴(yán)格規(guī)范化的消息bus。每個bus有一個名字，每個node都可以連接到bus發(fā)送和接受符合標(biāo)準(zhǔn)類型的消息。
　　Services：發(fā)布/訂閱模型是很靈活的通訊模式，但是多對多，單向傳輸對于分布式系統(tǒng)中經(jīng)常需要的“請求/回應(yīng)”式的交互來說并不合適。因此，“請求/回應(yīng)”是通過services來實現(xiàn)的。這種通訊的定義是一種成對的消息：一個用于請求，一個用于回應(yīng)。假設(shè)一個節(jié)點(diǎn)提供了一個服務(wù)提供下一個name和客戶使用服務(wù)發(fā)送請求消息并等待答復(fù)。ROS的客戶庫通常以一種遠(yuǎn)程調(diào)用的方式提供這樣的交互。
　　Bags：Bags是一種格式，用于存儲和播放ROS消息。對于儲存數(shù)據(jù)來說Bags是一種很重要的機(jī)制。例如傳感器數(shù)據(jù)很難收集但卻是開發(fā)與測試中必須的。
　　在ROS的計算圖中，ROS的Master以一個nameservice的方式工作。它給ROS的節(jié)點(diǎn)存儲了topics和service的注冊信息。Nodes與Master通信從而報告它們的注冊信息。當(dāng)這些節(jié)點(diǎn)與master通信的時候，它們可以接收關(guān)于其他以注冊節(jié)點(diǎn)的信息并且建立與其它以注冊節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系。當(dāng)這些注冊信息改變時Master也會回饋這些節(jié)點(diǎn)，同時允許節(jié)點(diǎn)動態(tài)創(chuàng)建與新節(jié)點(diǎn)之間的連接。

　　節(jié)點(diǎn)之間的連接是直接的；Master僅僅提供了查詢信息，就像一個DNS服務(wù)器。節(jié)點(diǎn)訂閱一個topic將會要求建立一個與發(fā)布該topics的節(jié)點(diǎn)的連接，并且將會在同意連接協(xié)議的基礎(chǔ)上建立該連接。ROS里面使用最廣的連接協(xié)議是TCPROS，這個協(xié)議使用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP接口。
　　這樣的架構(gòu)允許脫鉤工作（decoupledoperation），通過這種方式大型或是更為復(fù)雜的系統(tǒng)得以建立，其中names方式是一種行之有效的手段。names方式在ROS系統(tǒng)中扮演極為重要的角色：topics，services，andparameters都有各自的names。每一個ROS客戶端庫都支持重命名，這等同于，每一個編譯成功的程序能夠以另一種形似【名字】運(yùn)行。
　　例如，為了控制一個北陽激光測距儀（Hokuyolaserrange-finder），我們可以啟動這個hokuyo_node驅(qū)動，這個驅(qū)動可以給與激光儀進(jìn)行對話并且在"掃描"topic下可以發(fā)布sensor_msgs/LaserScan的信息。為了處理數(shù)據(jù)，我們也許會寫一個使用laser_filters的node來訂閱"掃描"topic的信息。訂閱之后，我們的過濾器將會自動開始接收激光儀的信息。注意兩邊是如何脫鉤工作的。所有的hokuyo_node的節(jié)點(diǎn)都會完成發(fā)布"掃描"，不需要知道是否有節(jié)點(diǎn)被訂閱了。所有的過濾器都會完成"掃描"的訂閱，不論知道還是不知道是否有節(jié)點(diǎn)在發(fā)布"掃描"。在不引發(fā)任何錯誤的情況下，這兩個nodes可以任何的順序啟動，終止，或者重啟。
　　以后我們也許會給我們的機(jī)器人加入另外一個激光器，這會導(dǎo)致我們重新設(shè)置我們的系統(tǒng)。我們所需要做的就是重新映射已經(jīng)使用過的names。當(dāng)我們開始我們的第一個hokuyo_node時，我們可以說它用base_scan代替了映射掃描，并且和我們的過濾器節(jié)點(diǎn)做相同的事。現(xiàn)在，這些節(jié)點(diǎn)將會用base_scan的topic來通信從而代替，并且將不再監(jiān)聽"掃描"topic的信息。然后我們就可以為我們的新激光測距儀啟動另外一個hokuyo_node