ROS架构设计及其基础概念

Posted 2021-06-01 等不到星光等时光呀

一、ROS架构设计

ROS架构可以将其分为三个层次：OS层、中间层和应用层

1.OS层

ROS并不是一个传统意义上的操作系统，无法像Windows、Linux一样直接运行在计算机硬件之上，而是需要依托于Linux系统。所以在OS层，我们可以直接使用ROS官方支持度最好的Ubuntu操作系统，也可以使用macOS、Arch、Debian等操作系统。

2.中间层

Linux是一个通用系统，并没有针对机器人开发提供特殊的中间件，所以ROS在中间层做了大量工作，其中最为重要的就是基于TCPROS/UDPROS的通信系统。ROS的通信系统基于TCP/UDP网络，在此之上进行了再次封装，也就是TCPROS/UDPROS。通信系统使用发布/订阅、客户端/服务器等模型，实现多种通信机制的数据传输。除了TCPROS/UDPROS的通信机制外，ROS还提供一种进程内的通信方法——Nodelet，可以为多进程通信提供一种更优化的数据传输方式，适合对数据传输实时性方面有较高要求的应用。在通信机制之上，ROS提供了大量机器人开发相关的库，如数据类型定义、坐标变换、运动控制等，可以提供给应用层使用。

3. 在应用层

在应用层，ROS需要运行一个管理者——Master，负责管理整个系统的正常运行。ROS社区内共享了大量的机器人应用功能包，这些功能包内的模块以节点为单位运行，以ROS标准的输入输出作为接口，开发者不需要关注模块的内部实现机制，只需要了解接口规则即可实现复用，极大地提高了开发效率。

二、计算图

从计算图的角度来看，ROS系统软件的功能模块以节点为单位独立运行，可以分布于多个相同或不同的主机中，在系统运行时通过端对端的拓扑结构进行连接。

1、节点（node）

**节点（Node）**就是一些执行运算任务的进程，一个系统一般由多个节点组成，也可以称为“软件模块”。节点概念的引入使得基于ROS的系统在运行时更加形象：当许多节点同时运行时，可以很方便地将端对端的通信绘制成如图2-3所示的节点关系图，在这个图中进程就是图中的节点，而端对端的连接关系就是节点之间的连线。

2、消息

节点之间最重要的通信机制就是基于发布/订阅模型的消息（Message）通信。每一个消息都是一种严格的数据结构，支持标准数据类型（整型、浮点型、布尔型等），也支持嵌套结构和数组（类似于C语言的结构体struct），还可以根据需求由开发者自主定义。

3、话题

消息以一种发布/订阅（Publish/Subscribe）的方式传递。一个节点可以针对一个给定的话题（Topic）发布消息（称为发布者/Talker），也可以关注某个话题并订阅特定类型的数据（称为订阅者/Listener）。发布者和订阅者并不了解彼此的存在，系统中可能同时有多个节点发布或者订阅同一个话题的消息。

4、服务

虽然基于话题的发布/订阅模型是一种很灵活的通信模式，但是对于双向的同步传输模式并不适合。在ROS中，我们称这种同步传输模式为服务（Service），其基于客户端/服务器（Client/Server）模型，包含两个部分的通信数据类型：一个用于请求，另一个用于应答，类似于Web服务器。与话题不同的是，ROS中只允许有一个节点提供指定命名的服务

5、节点管理器

为了统筹管理以上概念，系统当中需要有一个控制器使得所有节点有条不紊地执行，这就是ROS节点管理器（ROS Master）。ROS Master通过远程过程调用（RPC）提供登记列表和对其他计算图表的查找功能，帮助ROS节点之间相互查找、建立连接，同时还为系统提供参数服务器，管理全局参数。ROS Master就是一个管理者，没有它的话，节点将无法找到彼此，也无法交换消息或调用服务，整个系统将会瘫痪，由此可见其在ROS系统中的重要性。