ROS基础¶

2025-08-092025-05-13

ROS定义¶

ROS (Robot Operating System, 机器人操作系统) 提供一系列程序库和工具以帮助软件开发者创建机器人应用软件。它提供了硬件抽象、设备驱动、函数库、可视化工具、消息传递和软件包管理等诸多功能。

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ROS组成¶

通信机制¶

ROS1 中的通信机制采用 松耦合分布式架构，核心理念如下：

松耦合（Loose Coupling）
系统模块通过中介机制（ROS Master） 通信，而非彼此直接调用或依赖；
分布式（Distributed）
各节点可部署在不同设备/计算机上，通过网络通信协同工作；
点对点通信
节点注册与发现通过 ROS Master 实现，后续通信走点对点连接（TCP/UDP）。

松耦合的关键特性：

解耦设计（Loose Coupling）
发布者与订阅者互不依赖，不需了解对方；
只需统一话题名与消息类型即可通信；
节点可动态启动、重启、替换，不影响系统运行。
点对点连接（Peer-to-Peer）
通信由节点之间直接建立 TCP 或 UDP 连接完成；
ROS Master 仅在注册和撮合阶段参与，通信阶段不介入。
可扩展 & 易调试
各节点支持独立开发、单独部署、模块化测试；
支持跨设备分布式部署，适合构建大型复杂机器人系统。

通信机制的结构组成：

组件	说明
Node（节点）	ROS 的基本功能单元，每个节点负责一个模块任务（如激光雷达驱动、路径规划）
ROS Master	中央协调器，负责节点注册、话题匹配、服务发现等
Topic（话题）	异步消息通信机制，支持多对多消息广播
Service（服务）	同步请求-响应机制，适合请求式控制通信（如“开始识别”）
Action（动作）	具备异步反馈、进度更新与中止支持，适合长时间任务（如导航、机械臂移动）
Message（消息）	节点通信数据格式，由 `.msg` 文件定义

开发工具¶

应用功能¶

生态系统¶

ROS核心概念¶

ROS的概念分为三个层次：文件系统层、计算图层、社区层

ROS文件系统层次¶

文件系统层概念主要指在硬盘里能看到的ROS目录和文件，例如：

Packages（功能包）: Packages是在ROS中整理及组织软体的主要单元。一个Packages包含节点（ROS runtime processes）、ROS程式库（ROS-dependent library）、数据集（datasets）、配置文件（configuration files）⋯⋯等等。Packages是您在ROS中能建立及分享的最小单元。
Metapackages: Metapackages 是一组具体的服务相关的功能包。大部分的metpackages 只作为转换rosbuild Stacks的向后兼容的备选。
Package Manifests（功能包清单）: Manifests (package.xml) 描述一个package的元信息，包括了package的名字，版本，功能简述，证书信息，依赖关系，以及一些其他的被export的package所有的信息。关于package.xml 的文件说明，参考REP-0127.
Repositories: 代码仓库是使用VCS版本控制系统的软件包集合，软件包利用版本控制维持同一版本，它能使用catkin自动发布工具bloom进行发布。这些代码仓库常通过映射来进行转换 rosbuild Stacks.仓库可以是只有一个软件包。
Message (msg) types: 存储在my_package/msg/MyMessageType.msg的Message文件，主要定义了ROS系统的messages传输的数据结构。
Service (srv) types: 存储在 my_package/srv/MyServiceType.srv的服务services文件，定义了ROS的服务通信时的请求（request ）和响应（response ）相关的数据结构。

ROS计算图层次¶

计算图是ROS在点对点网络里整合并处理数据的过程。基本计算图概念是节点, 主机, 参数服务器, 消息, 服务, 话题, and 数据包，它们通过不同的方式提供数据给图层。

Nodes（节点）：节点是 ROS 中的计算处理单元，用于执行具体功能。ROS 设计为一个细粒度模块化系统，一个完整的机器人控制系统通常由多个节点构成。

例如：一个节点控制激光雷达；一个节点控制轮式电机；一个节点负责定位；一个节点进行路径规划；一个节点提供图形用户界面（GUI）。

每个 ROS 节点是通过 ROS 客户端库（如 roscpp 或 rospy）编写的。

Master（主节点）：ROS Master 提供名称注册与查询服务，它是整个计算图的中心协调者。
若没有 Master，节点之间无法相互发现、交换消息或调用服务。
Parameter Server（参数服务器）：
参数服务器允许通过键值对形式在中央位置存储和共享参数数据。目前，参数服务器是 ROS Master 的一部分。
Messages（消息）：

节点之间通过传递消息（Message）进行通信。消息本质上是一种数据结构，由具有明确类型的字段组成。
支持的类型包括：

基本类型：整型、浮点型、布尔型等；
基本类型数组；
支持结构体嵌套和数组嵌套（类似于 C 语言中的 struct 结构）。
Topics（话题）：

ROS 采用发布 / 订阅（Publish / Subscribe）机制进行异步通信。节点通过将消息发布到一个话题（Topic）来发送数据，而订阅该话题的节点则会接收到这些消息。

话题是用于标识消息内容的名称；
一个话题可以同时拥有多个发布者与订阅者；
同一个节点可以同时发布和/或订阅多个话题；
发布者与订阅者互不感知彼此存在，实现了通信的解耦；
可以将话题视为一种强类型的消息总线（message bus） ，只要消息类型匹配，任何人都可以通过这个总线进行通信。
Services（服务）：

虽然发布/订阅机制灵活，但由于其多对多、单向通信的特性，不适用于需要请求/响应交互的场景。
这种一对一、同步交互由**服务（Service）**机制实现。

服务通过一对消息结构来定义：一个用于请求，另一个用于响应。
提供服务的节点以名称注册服务，客户端节点通过发送请求消息并等待响应来使用该服务。
在编程接口中，ROS 客户端库通常将其抽象为远程过程调用（RPC）形式，方便开发者调用。 * Bags（包文件）：

Bag 是 ROS 中用于保存和回放消息数据的一种文件格式。

它在以下场景中非常重要：

保存传感器数据；
离线分析；
算法开发与测试。

Bag 文件允许开发者在没有真实硬件的情况下进行回放调试。

ROS通信机制¶

ROS（Robot Operating System）提供了多种通信机制，以满足不同模块间的数据交换和协同控制需求。主要包括四大通信机制：Topic、Service、Action 和 Parameter Server。

Topic¶

话题通信

特点：异步、多对多通信
机制：基于发布（Publisher）/订阅（Subscriber）模型
适用场景：适合传输连续不断的数据流，如图像、激光、IMU 等传感器数据
优点：解耦、扩展性强，不阻塞发送方

示例：摄像头节点发布图像，多个图像处理节点同时订阅进行处理。

Service¶

服务通信

特点：同步、一对一通信
机制：客户端发出请求，服务端响应，完成一次交互
适用场景：适合短时间的命令交互，如“获取参数”、“启动任务”等
优点：简单直接，阻塞调用

示例：导航控制节点请求路径规划节点生成路径，等待结果返回。

Parameter Server¶

参数服务器

特点：集中式参数管理机制
机制：以键值对（key-value）形式存储数据，节点通过 ROS Master 共享和访问这些参数
适用场景：适用于全局配置参数或静态标定数据的共享，如传感器参数、PID 控制参数、机器人模型路径等
优点：
各节点统一读取和更新共享参数，避免硬编码
支持运行时动态修改参数
可从 launch 文件加载，增强灵活性

示例：

控制节点从参数服务器读取 max_velocity 控制最大速度
图像处理节点读取 camera_intrinsics 获取相机内参

Action¶

Action（动作通信） 并不是 ROS 最基础的通信机制，而是在 Service 基础上扩展的一种异步任务机制，用于处理长时间执行任务，支持反馈与中止。

它通过底层封装多个话题和服务实现，属于更高级的通信抽象层。

特点：异步、有反馈、可取消的任务通信机制
机制：客户端发送目标，服务器执行，并周期性反馈进度，可中途取消
适用场景：适合耗时任务，如“移动到指定位置”、“机械臂抓取”
优点：灵活，支持状态反馈与中断控制

示例：控制机械臂从 A 移动到 B，可在中途查看进度或取消任务。

通信对比¶

特性	Topic	Service	Action	Parameter Server
通信类型	异步	同步请求响应	异步+反馈+取消	配置参数共享
一对多支持	✅	❌	✅	✅（多节点可访问）
是否阻塞	否	是	否	否（访问阻塞较低）
使用场景	数据流传输	控制指令请求	长时间任务	配置、标定参数

ROS文件系统¶

ROS文件系统级指的是在硬盘上ROS源代码的组织形式，其结构大致可以如下图所示：

WorkSpace --- 自定义的工作空间

    |--- build:编译空间，用于存放CMake和catkin的缓存信息、配置信息和其他中间文件。

    |--- devel:开发空间，用于存放编译后生成的目标文件，包括头文件、动态&静态链接库、可执行文件等。

    |--- src: 源码

        |-- package：功能包(ROS基本单元)包含多个节点、库与配置文件，包名所有字母小写，只能由字母、数字与下划线组成

            |-- CMakeLists.txt 配置编译规则，比如源文件、依赖项、目标文件

            |-- package.xml 包信息，比如:包名、版本、作者、依赖项...(以前版本是 manifest.xml)

            |-- scripts 存储python文件

            |-- src 存储C++源文件

            |-- include 头文件

            |-- msg 消息通信格式文件

            |-- srv 服务通信格式文件

            |-- action 动作格式文件

            |-- launch 可一次性运行多个节点 

            |-- config 配置信息

        |-- CMakeLists.txt: 编译的基本配置

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