ROS程序设计系列 - 1.ROS介绍-优快云博客

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ROS程序设计系列 - 1.ROS介绍

1. 源由
2. ROS介绍
3. 关键要点
4. 课程视频
5. 参考资料

1. 源由

目前，在最有路径计算和SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)地图重建方面，ROS系统提供的生态最为完善。

因此，很多机器人方面的研发人员使用最多的就是ROS(Robot Operating System)系统。

另外，前面我们了解了无人机路径计算算法：

目前还是基于ROS，尚未对ROS2进行移植，我相信在一段时间内，估计也不可能快速的切换到ROS2.

Does it support ROS2? #8

除此之外，我们还有Ardupilot Rover/Copter的应用（今后可能还有Boat/Submarine等）

因此，我们将学习和整理下ROS系统的架构和基本编程应用。

2. ROS介绍

从概念定义上，个人觉得ROS可以定义为一个中间件(middleware)。

其底层仍然是Linux系统，但是ROS应用编程采用的是ROS API，封装了很多标准ROS包，这些包不仅仅简单功能API，还有很多动态管理服务，因此中间件的说法更为合适。

在 ROS（Robot Operating System）中，中间件起到了关键作用，用于节点之间的通信和数据交换。ROS 中的中间件通常指的是通信框架，主要包括以下几个关键组件：

ROS Master：ROS Master 是整个 ROS 网络的核心，它负责节点注册、查找和管理。每个 ROS 网络中都需要一个 Master，它可以记录节点的信息，并帮助节点找到彼此。Master 并不参与实际数据的传输，而只是提供节点间的联系信息。
节点（Nodes）：节点是 ROS 中的基本执行单位，每个节点是一个独立的进程，负责特定的功能。节点可以通过发布和订阅（publish/subscribe）机制、服务（service）和动作（action）等方式进行通信。
话题（Topics）：话题是节点之间进行异步通信的渠道。一个节点可以发布消息到某个话题，其他节点可以订阅这个话题以接收消息。话题适用于需要频繁更新的数据流，比如传感器数据。
消息（Messages）：消息是 ROS 中节点之间传递的数据结构。ROS 提供了一套标准消息类型，开发者也可以自定义消息类型。
服务（Services）：服务提供了一种同步通信方式，适用于需要请求-响应模式的场景。一个节点可以定义一个服务，其他节点可以通过调用该服务来请求特定的操作并等待响应。
动作（Actions）：动作是一种增强的服务机制，适用于需要长时间运行并且需要反馈的任务。动作可以提供任务执行的进度和中途取消的能力。

ROS 中的中间件通常基于发布-订阅模式（Publish-Subscribe Pattern）和客户端-服务器模式（Client-Server Pattern），这使得 ROS 能够灵活、高效地处理机器人系统中的各种通信需求。

ROS 1 中，默认使用的是基于 TCP 的通信协议（TCPROS），也可以使用 UDP（UDPROS）来实现低延迟的通信。在 ROS 2 中，采用了数据分发服务（DDS）作为默认的中间件，这提供了更好的实时性、可扩展性和安全性。DDS 是一种工业标准的中间件协议，广泛应用于分布式实时系统。

3. 关键要点

3.1 中间件组成

2007年斯坦福人工智能实验室开始投入
2013年OSRF组织接管项目
当前已经成为机器人行业不成文的一个标准平台

在这里插入图片描述

3.2 功能特性

消息解耦
分布式部署
多语言支持
轻量化组件
开源代码

在这里插入图片描述

3.3 消息分发

3.3.1 ROS Master

ROS Master 是整个 ROS 网络的核心，它负责节点注册、查找和管理。

命令：

$ roscore

3.3.2 ROS Node

节点是 ROS 中的基本执行单位，每个节点是一个独立的进程，负责特定的功能。

命令：

$ rosrun package_name node_name
$ rosnode list
$ rosnode info node_name

3.3.3 ROS Topic

话题是节点之间进行异步通信的渠道。

命令：

$ rostopic list
$ rostopic echo /topic
$ rostopic info /topic

3.3.4 ROS Message

消息是 ROS 中节点之间传递的数据结构。

命令：

$ rostopic type /topic
$ rostopic pub /topic type data

3.4 tutorial示例

以Linux 35.5 + ros-noetic@Jetson Orin Nano为例：

安装示例程序

$ sudo apt-get install ros-noetic-roscpp-tutorials

运行roscore

$ roscore
... logging to /home/daniel/.ros/log/fe950290-2b71-11ef-b45c-200b7460c5b7/roslaunch-nvidia-8506.log
Checking log directory for disk usage. This may take a while.
Press Ctrl-C to interrupt
Done checking log file disk usage. Usage is <1GB.

started roslaunch server http://nvidia:45373/
ros_comm version 1.16.0


SUMMARY
========

PARAMETERS
 * /rosdistro: noetic
 * /rosversion: 1.16.0

NODES

WARNING: IP addresses 0.0.0.0 for local hostname 'nvidia' do not appear to match
    any local IP address (127.0.0.1,192.168.1.19,172.17.0.1). Your ROS nodes may fail to communicate.

    Please use ROS_IP to set the correct IP address to use.
auto-starting new master
process[master]: started with pid [8524]
ROS_MASTER_URI=http://nvidia:11311/

setting /run_id to fe950290-2b71-11ef-b45c-200b7460c5b7
process[rosout-1]: started with pid [8544]
started core service [/rosout]

运行talker程序

$ rosrun roscpp_tutorials talker
[ INFO] [1718495429.976510980]: hello world 0
[ INFO] [1718495430.076535932]: hello world 1
[ INFO] [1718495430.176508181]: hello world 2
[ INFO] [1718495430.276509423]: hello world