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ROS（機器人操作系統，RobotOperatingSystem），是專(zhuān)為機器人軟件開(kāi)發(fā)所設計出來(lái)的一套電腦操作系統架構。它是一個(gè)開(kāi)源的元級操作系統（后操作系統），提供類(lèi)似于操作系統的服務(wù)，包括硬件抽象描述、底層驅動(dòng)程序管理、共用功能的執行、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(xiě)和執行多機融合的程序。 ROS的運行架構是一種使用ROS通信模塊實(shí)現模塊間P2P的松耦合的網(wǎng)絡(luò )連接的處理架構，它執行若干種類(lèi)型的通訊，包括基于服務(wù)的同步RPC（遠程過(guò)程調用）通訊、基于Topic的異步數據流通訊，還有參數服務(wù)器上的數據存儲。 發(fā)展目標 ROS的首要設計目標是在機器人研發(fā)領(lǐng)域提高代碼復用率。ROS是一種分布式處理框架（又名Nodes）。這使可執行文件能被單獨設計，并且在運行時(shí)松散耦合。這些過(guò)程可以封裝到數據包（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。使得協(xié)作亦能被分發(fā)。這種從文件系統級別到社區一級的設計讓獨立地決定發(fā)展和實(shí)施工作成為可能。上述所有功能都能由ROS的基礎工具實(shí)現。 為了實(shí)現“共享與協(xié)作”這一首要目標，人們制訂了ROS架構中的其他支援性目標： “輕便”：ROS是設計得盡可能方便簡(jiǎn)易。您不必替換主框架與系統，因為ROS編寫(xiě)的代碼可以用于其他機器人軟件框架中。毫無(wú)疑問(wèn)的，ROS更易于集成與其他機器人軟件框架。事實(shí)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(kāi)發(fā)模型是使用clear的函數接口書(shū)寫(xiě)ROS-agnostic庫。 語(yǔ)言獨立性：ROS框架很容易在任何編程語(yǔ)言中執行。我們已經(jīng)能在Python和C++中順利運行，同時(shí)添加有Lisp、Octave和Java語(yǔ)言庫。 測試簡(jiǎn)單：ROS有一個(gè)內建的單元/組合集測試框架，稱(chēng)為“rostest”。這使得集成調試和分解調試很容易。 擴展性：ROS適合于大型實(shí)時(shí)系統與大型的系統開(kāi)發(fā)項目。 ROS的概念 ROS有三個(gè)層次的概念：分別為Filesystemlevel，Computationgraphlevel，以及Communicationlevel。以下內容具體的總結了這些層次及概念。除了這三個(gè)層次的概念，ROS也定義了兩種名稱(chēng)--Package資源名稱(chēng)和Graph資源名稱(chēng)。同樣會(huì )在以下內容中提及。 ROS的FilesystemLevel 文件系統層概念就是你在碟片里面遇到的資源，例如： Packages：ROS的基本組織，可以包含任意格式文件。一個(gè)Package可以包含ROS執行時(shí)處理的文件（nodes），一個(gè)ROS的依賴(lài)庫，一個(gè)數據集合，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元數據，包括它的許可信息和Package之間依賴(lài)關(guān)系，以及語(yǔ)言特性信息像編譯旗幟（編譯優(yōu)化參數）。 Stacks：Stacks是Packages的集合，它提供一個(gè)完整的功能，像“navigationstack”Stack與版本號關(guān)聯(lián)，同時(shí)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元數據，包括它的許可信息和Stack之間依賴(lài)關(guān)系。 Message(msg)types：信息描述，位置在路徑：my_package/msg/MyMessageType.msg，定義數據類(lèi)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(gè)請求和相應的數據結構在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 )集中處理所有的數據�；镜腃omputationGraph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傳輸數據。 Nodes：Nodes（節點(diǎn)）是一系列運行中的程序。ROS被設計成在一定顆粒度下的模塊化系統。一個(gè)機器人控制系統通常包含許多Nodes。比如一個(gè)Node控制激光雷達，一個(gè)Node控制車(chē)輪馬達，一個(gè)Node處理定位，一個(gè)Node執行路徑規劃，另外一個(gè)提供圖形化界面等等。一個(gè)ROS節點(diǎn)是由LibrariesROSclientlibrary寫(xiě)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(méi)有Master，節點(diǎn)將無(wú)法找到其他節點(diǎn)，交換消息或調用服務(wù)。 ServerParameterServer：參數服務(wù)器使數據按照鑰匙的方式存儲。目前，參數服務(wù)器是主持的組成部分。 Messages：節點(diǎn)之間通過(guò)messages來(lái)傳遞消息。一個(gè)message是一個(gè)簡(jiǎn)單的數據結構，包含一些歸類(lèi)定義的區。支持標準的原始數據類(lèi)型（整數、浮點(diǎn)數、布爾數，等）和原始數組類(lèi)型。message可以包含任意的嵌套結構和數組（很類(lèi)似于C語(yǔ)言的結構structs） Topics：Messages以一種發(fā)布/訂閱的方式傳遞。一個(gè)node可以在一個(gè)給定的topic中發(fā)布消息。Topic是一個(gè)name被用于描述消息內容。一個(gè)node針對某個(gè)topic關(guān)注與訂閱特定類(lèi)型的數據�？赡芡瑫r(shí)有多個(gè)node發(fā)布或者訂閱同一個(gè)topic的消息；也可能有一個(gè)topic同時(shí)發(fā)布或訂閱多個(gè)topic�？傮w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(gè)嚴格規范化的消息bus。每個(gè)bus有一個(gè)名字，每個(gè)node都可以連接到bus發(fā)送和接受符合標準類(lèi)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中經(jīng)常需要的“請求/回應”式的交互來(lái)說(shuō)并不合適。因此，“請求/回應”是通過(guò)services來(lái)實(shí)現的。這種通訊的定義是一種成對的消息：一個(gè)用于請求，一個(gè)用于回應。假設一個(gè)節點(diǎn)提供了一個(gè)服務(wù)提供下一個(gè)name和客戶(hù)使用服務(wù)發(fā)送請求消息并等待答復。ROS的客戶(hù)庫通常以一種遠程調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。對于儲存數據來(lái)說(shuō)Bags是一種很重要的機制。例如傳感器數據很難收集但卻是開(kāi)發(fā)與測試中必須的。 在ROS的計算圖中，ROS的Master以一個(gè)nameservice的方式工作。它給ROS的節點(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。當這些節點(diǎn)與master通信的時(shí)候，它們可以接收關(guān)于其他以注冊節點(diǎn)的信息并且建立與其它以注冊節點(diǎn)之間的聯(lián)系。當這些注冊信息改變時(shí)Master也會(huì )回饋這些節點(diǎn)，同時(shí)允許節點(diǎn)動(dòng)態(tài)創(chuàng )建與新節點(diǎn)之間的連接。 節點(diǎn)之間的連接是直接的；Master僅僅提供了查詢(xún)信息，就像一個(gè)DNS服務(wù)器。節點(diǎn)訂閱一個(gè)topic將會(huì )要求建立一個(gè)與發(fā)布該topics的節點(diǎn)的連接，并且將會(huì )在同意連接協(xié)議的基礎上建立該連接。ROS里面使用最廣的連接協(xié)議是TCPROS，這個(gè)協(xié)議使用標準的TCP/IP接口。 這樣的架構允許脫鉤工作（decoupledoperation），通過(guò)這種方式大型或是更為復雜的系統得以建立，其中names方式是一種行之有效的手段。names方式在ROS系統中扮演極為重要的角色：topics，services，andparameters都有各自的names。每一個(gè)ROS客戶(hù)端庫都支持重命名，這等同于，每一個(gè)編譯成功的程序能夠以另一種形似【名字】運行。 例如，為了控制一個(gè)北陽(yáng)激光測距儀（Hokuyolaserrange-finder），我們可以啟動(dòng)這個(gè)hokuyo_node驅動(dòng)，這個(gè)驅動(dòng)可以給與激光儀進(jìn)行對話(huà)并且在"掃描"topic下可以發(fā)布sensor_msgs/LaserScan的信息。為了處理數據，我們也許會(huì )寫(xiě)一個(gè)使用laser_filters的node來(lái)訂閱"掃描"topic的信息。訂閱之后，我們的過(guò)濾器將會(huì )自動(dòng)開(kāi)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的節點(diǎn)都會(huì )完成發(fā)布"掃描"，不需要知道是否有節點(diǎn)被訂閱了。所有的過(guò)濾器都會(huì )完成"掃描"的訂閱，不論知道還是不知道是否有節點(diǎn)在發(fā)布"掃描"。在不引發(fā)任何錯誤的情況下，這兩個(gè)nodes可以任何的順序啟動(dòng)，終止，或者重啟。 以后我們也許會(huì )給我們的機器人加入另外一個(gè)激光器，這會(huì )導致我們重新設置我們的系統。我們所需要做的就是重新映射已經(jīng)使用過(guò)的names。當我們開(kāi)始我們的第一個(gè)hokuyo_node時(shí)，我們可以說(shuō)它用base_scan代替了映射掃描，并且和我們的過(guò)濾器節點(diǎn)做相同的事�，F在，這些節點(diǎn)將會(huì )用base_scan的topic來(lái)通信從而代替，并且將不再監聽(tīng)"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(dòng)另外一個(gè)hokuyo_node。(ROS社區) |
