《精通ROS机器人编程（原书第2版） 》 —1.5　理解ROS的计算图

1.5　理解ROS的计算图

ROS中的计算是通过进程网络实现的，每个进程为一个ROS节点。这样的计算网络称为计算图（graph）。计算图中的主要概念有：ROS节点（node）、ROS节点管理器（master）、参数服务器（parameter server）、消息（message）、话题（topic）、服务（service）和消息记录包（bag）。图中的每个概念都以不同的方式对此图做出贡献。

与ROS通信相关的软件包包括核心客户端库工具（如roscpp、rospython），以及话题、节点、参数、服务等概念的实现。这些软件包都包含在一个名为 ros_comm的软件包集中（http://wiki.ros.org/ros_comm）。

该软件包集还包括诸如 rostopic、rosparam、rosservice、rosnode之类的工具来呼应前面的概念。

ros_comm 软件包集包含了 ROS通信的中间件软件包，这些软件包统称为 ROS图层（Graph Layer），如图1-6所示。

图1-6　ROS图层的结构

以下是图中每个概念的简要介绍：

节点（Node）：节点对应于执行计算任务的进程。每个ROS节点都使用ROS客户端库来编写。使用客户端库提供的API，我们可以实现ROS的各种功能，例如节点间通信。当一个机器人的不同节点间交换信息时，这种节点间的通信就显得尤为有用。利用这种ROS通信方式，节点间可以相互通信并交换数据。ROS节点的作用之一是构建多个简单的进程，而不是一个具有所有功能的大进程。因此ROS节点结构简单，易于调试。

节点管理器（Master）：节点管理器用于所有其他节点的名称注册和查找。如果没有ROS节点管理器，节点将无法找到对方，也无法交换消息或请求服务。在分布式系统中，节点管理器仅运行在某一台电脑上，而其他远程节点通过与节点管理器通信来找到彼此。

参数服务器（Parameter Server）：用户可以利用参数服务器将数据统一存储在一个地方。所有节点都可以访问和修改这些参数值。参数服务器是ROS节点管理器的一部分。

消息（Message）： 节点间通过消息实现相互通信。消息是一种包含字段类型的数据结构，它可以保存一组数据，也可以将数据发送到其他节点。ROS消息支持一些标准的数据类型（如整型、浮点型、布尔类型等）。我们还可以利用这些标准的数据类型构建自己的消息类型。

话题（Topic）：ROS 中的每条消息都使用被称为“话题”的特定总线进行传输。当节点通过话题发送消息时，我们可以说该节点正在发布话题。当某一节点通过话题接收消息时，我们可以说该节点正在订阅话题。发布节点和订阅节点不知道彼此的存在。我们甚至可以订阅一个没有任何发布者的话题。简而言之，消息的产生和获取是分离的。每个话题都有一个唯一的名称，任何节点都可以访问此话题并通过它发送数据，前提是它们具有正确的消息类型。

服务（Service）：在某些机器人应用系统中，发布/订阅的通信模型不一定合适。例如，在某些情况下，我们需要一种请求/应答的交互方式，即其中一个节点可能向另一个节点请求执行某一个快速过程（如请求一些快速的计算）。基于ROS服务的交互方式就像远程过程调用。

日志（Logging）：ROS 提供了一个用于存储数据的记录系统，如记录传感器数据。这些数据可能很难收集，但对于开发和测试机器人算法来说又是必不可少的。当涉及复杂的机器人时，消息记录包对于ROS开发是非常有用的。

图1-7展示了节点间如何使用话题相互通信。话题显示在矩形中，节点用椭圆表示。此图中不包括消息和参数信息。这种类型的图可以通过调用名为rqt_graph（http://wiki.ros.org/rqt_graph）的工具来生成。

图1-7　基于话题的节点间的通信图

1.5.1　ROS节点

ROS节点是使用ROS客户端库（如 roscpp 或 rospy）编写的执行某种计算的进程。一个节点可以利用ROS 话题、ROS服务和ROS参数与其他节点通信。

一个机器人可能包含很多节点。例如，一个节点处理来自摄像头的图像，一个节点处理来自机器人的串口数据，一个节点则可以用来计算里程计信息等。

使用节点可以提高系统的容错能力。即使有一个节点崩溃，整个机器人系统仍然可以运转。与整体代码相比，由于每个节点只处理单个功能，节点机制还可以降低代码复杂性并降低调试难度。

所有正在运行的节点都应该有唯一的名称，以便区别系统中的其他节点。例如，

/camera_node 可以是广播相机图像的节点名称。

ROS中的小工具rosbash与 ROS 节点对应。其中，rosnode 命令可用于获取有关ROS节点的信息。以下是 rosnode 的用法：

$ rosnode info [node_name]：打印节点的相关信息。

$ rosnode kill [node_name]：强行终止一个正在运行的节点。

$ rosnode list：列出正在运行的节点。

$ rosnode machine [machine_name]：列出运行在某个机器上或多个机器人上的节点。

$ rosnode ping：检查节点的连通性。

$ rosnode cleanup：清除无法访问的节点注册信息。

后面，我们会用 roscpp编写节点示例，讨论当使用ROS话题、ROS服务、ROS消息和 actionlib 等功能时，ROS节点的工作机制。