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導(dǎo)讀：機器人是多專業(yè)知識交叉的學(xué)科，通常涉及傳感器、驅(qū)動程序、多機通信、機械結(jié)構(gòu)、算法等，為了更高效地進行機器人的研究和開發(fā)，選擇一個通用的開發(fā)框架非常必要，ROS（Robot Operating System，機器人操作系統(tǒng)）就是流行的框架之一。

本文將帶領(lǐng)大家了解和使用ROS，掌握ROS的核心概念，為后續(xù)學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。

作者：張虎

來源：大數(shù)據(jù)DT（ID：hzdashuju）

01 ROS簡介

可能很多初學(xué)者聽到機器人操作系統(tǒng)，就被“操作系統(tǒng)”幾個字嚇住了。其實簡單點說，ROS就是一個分布式的通信框架，幫助程序進程之間更方便地通信。

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

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

一個經(jīng)常讓初學(xué)者困惑的地方是，學(xué)會了ROS就是學(xué)會機器人開發(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，機器人中的各種算法和應(yīng)用程序依然是用C++、Python等常見編程語言進行開發(fā)的。

1. ROS的性能特色

在正式學(xué)習(xí)ROS之前，先介紹ROS的幾個特性，即元操作系統(tǒng)、分布式通信機制、松耦合軟件框架、豐富的開源功能庫等，來幫大家建立一些感性的認(rèn)識。

ROS是一個機器人領(lǐng)域的元操作系統(tǒng)。也就是說，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)動等還是由它的原生操作系統(tǒng)Ubuntu Linux完成。

ROS實際上是運行在Ubuntu Linux上的亞操作系統(tǒng)，或者說軟件框架，但提供硬件抽象、函數(shù)調(diào)用、進程管理這些類似操作系統(tǒng)的功能，也提供用于獲取、編譯、跨平臺的函數(shù)和工具。

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

ROS是松耦合軟件框架，利用分布式通信機制實現(xiàn)節(jié)點間的進程通信。ROS的軟件代碼以松耦合方式組織，開發(fā)過程靈活，管理維護方便。

ROS具有豐富的開源功能庫。ROS是基于BSD（Berkeley Software Distribution，伯克利軟件發(fā)行）協(xié)議的開源軟件，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器人原型。

2. ROS的發(fā)行版本

與Linux發(fā)行版類似，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)開發(fā)的，ROS的發(fā)行版本名稱也和Ubuntu采用了同樣的規(guī)則，即版本名稱由兩個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，需要進行大量的實踐操作。因此在快速了解ROS的核心概念和編程范式后，就要結(jié)合大量的實際項目來深入理解ROS。學(xué)會用正確的方式解決問題，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。

官網(wǎng)：www.ros.org
源碼：github.com
Wiki：wiki.ros.org
問答：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始寫程序。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ROS中的各種概念有全面性把控。按照官方的說法，可以分別從計算圖、文件系統(tǒng)和開源社區(qū)視角來理解ROS架構(gòu)。

1. 從計算圖視角理解ROS架構(gòu)

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

▲圖1-3 ROS的計算圖結(jié)構(gòu)

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

節(jié)點之間通過收發(fā)消息進行通信，消息收發(fā)機制分為話題（topic）、服務(wù)（service）和動作（action）三種，如圖1-3中的節(jié)點2與節(jié)點3、節(jié)點2與節(jié)點5采用話題通信，節(jié)點2與節(jié)點4采用服務(wù)通信，節(jié)點1與節(jié)點2采用動作通信。計算圖中的節(jié)點、話題、服務(wù)、動作都要有唯一名稱作為標(biāo)識。

ROS利用節(jié)點將代碼和功能解耦，提高了系統(tǒng)的容錯性和可維護性。所以最好讓每個節(jié)點都具有特定的單一功能，而不是創(chuàng)建一個包羅萬象的龐大節(jié)點。如果用C++編寫節(jié)點，需要用到ROS提供的roscpp庫；如果用Python編寫節(jié)點，需要用到ROS提供的rospy庫。

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

數(shù)據(jù)包（rosbag）是ROS中專門用來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，然后反復(fù)回放來進行算法性能調(diào)試。

參數(shù)服務(wù)器能夠為整個ROS網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點提供便于修改的參數(shù)。參數(shù)可以認(rèn)為是節(jié)點中可供外部修改的全局變量，有靜態(tài)參數(shù)和動態(tài)參數(shù)。靜態(tài)參數(shù)一般用于在節(jié)點啟動時設(shè)置節(jié)點工作模式；動態(tài)參數(shù)可以用于在節(jié)點運行時動態(tài)配置節(jié)點或改變節(jié)點工作狀態(tài)，比如電機控制節(jié)點里的PID控制參數(shù)。

主節(jié)點負(fù)責(zé)各個節(jié)點之間通信過程的調(diào)度管理。因此主節(jié)點必須要最先啟動，可以通過roscore命令啟動。

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)不同的功能對文件進行組織，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)自己的需要創(chuàng)建多個工作空間，在每個工作空間中開發(fā)不同用途的功能包。在圖1-4中，我們創(chuàng)建了一個名為catkin_ws的工作空間，其中包含src、build和devel三個文件夾。

src文件夾放置各個功能包和配置功能包的CMake配置文件CMakeLists.txt。這里說明一下，由于ROS中的源碼采用catkin工具進行編譯，而catkin工具又基于CMake技術(shù)，所以我們在src源文件空間和各個功能包中都會見到一個CMake配置文件CMakeLists.txt，這個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行的。一旦功能包源碼編譯和測試通過后，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)點源碼、腳本、配置文件等。

CMakeLists.txt是功能包配置文件，用于編譯Cmake功能包編譯時的編譯配置。
package.xml是功能包清單文件，用xml的標(biāo)簽格式標(biāo)記該功能包的各類相關(guān)信息，比如包的名稱、開發(fā)者信息、依賴關(guān)系等，主要是為了使功能包的安裝和分發(fā)更容易。
include/<pkg_name>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路徑<pkg_name>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，<pkg_name>用實際功能包的名稱替代。不過這個文件夾不是必要項，比如有些程序沒有頭文件。
msg、srv和action這三個文件夾分別用于存放非標(biāo)準(zhǔn)話題消息、服務(wù)消息和動作消息的定義文件。ROS支持用戶自定義消息通信過程中使用的消息類型。這些自定義消息不是必要的，比如程序只使用標(biāo)準(zhǔn)消息類型。
scripts目錄存放Bash、Python等腳本文件，為非必要項。
launch目錄存放節(jié)點的啟動文件，*.launch文件用于啟動一個或多個節(jié)點，在含有多個節(jié)點的大型項目中很有用，為非必要項。
src目錄存放功能包節(jié)點所對應(yīng)的源代碼，一個功能包中可以有多個節(jié)點程序來完成不同的功能，每個節(jié)點程序都可以單獨運行。這里src目錄存放的是這些節(jié)點程序的源代碼，你可以按需創(chuàng)建文件夾和文件來組織源代碼，源代碼可以用C++、Python等編寫。

3. 從開源社區(qū)視角理解ROS架構(gòu)

ROS是開源軟件，各個獨立的網(wǎng)絡(luò)社區(qū)分享和貢獻軟件及教程，形成了強大的ROS開源社區(qū)，如圖1-5所示。

▲圖1-5 ROS的開源社區(qū)結(jié)構(gòu)

ROS的發(fā)展依賴于開源和共享的軟件，這些代碼由不同的機構(gòu)共享和發(fā)布，比如GitHub源碼共享、Ubuntu軟件倉庫發(fā)布、第三方庫等。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)的文檔頁面。ROS的answer主頁里有大量ROS開發(fā)者的提問和回答，對ROS開發(fā)中遇到的各種問題的討論很活躍。

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器人研究院，主持機器人自主導(dǎo)航方面的研究項目。工作期間以網(wǎng)名“小虎哥哥愛學(xué)習(xí)”在知乎、CSDN、bilibili等平臺創(chuàng)作了大量機器人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。他對強人工智能的研究非常感興趣，并致力于將具有先進智能的機器人進行產(chǎn)業(yè)化落地。

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

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