ROS总体框架机器人操作系统ROS总体框架

### 机器人操作系统ROS总体框架详解 #### 一、总体结构 **ROS**(Robot Operating System)是一种灵活的框架，用于编写机器人软件。尽管名称中含有“操作系统”，但ROS并不是一个传统意义上的操作系统，而是一套软件框架。ROS的设计目的是为机器人研究提供一个开放的软件平台。 根据ROS系统代码的维护者和分布来划分，ROS主要由两大部分组成： 1. **Main（核心部分）** - 维护方：主要由Willow Garage公司和一些开发者负责设计、提供及维护。 - 内容：提供分布式计算的基本工具和整个ROS的核心部分程序的编写。 2. **Universe（全球范围的代码）** - 维护方：由不同国家的ROS社区组织开发和维护。 - 内容： - **库的代码**：如OpenCV、PCL等。 - **功能层面的代码**：例如人脸识别等，它们通常会调用底层库。 - **应用级的代码**：实现机器人完成特定功能的代码。 #### 二、计算图级 **计算图**是ROS处理数据的一种点对点的网络形式。程序运行时，所有进程及其数据处理都将以一种点对点的网络形式呈现。这一级主要包括以下几个重要概念： 1. **节点(Node)** - 定义：节点是一些执行计算任务的进程。 - 功能：ROS通过模块化的方式使得代码易于扩展。系统通常由许多节点组成，节点也可以被称为“软件模块”。 - 作用：使用“节点”的概念使得基于ROS的系统在运行时更加直观。多个节点同时运行时，可以通过图表的形式展示端到端的通讯，其中进程作为图中的节点，端对端的连接关系则表示为弧线。 2. **消息(Message)** - 定义：节点间通过发送消息进行通讯。 - 特点：每个消息都是一个严格定义的数据结构，支持标准数据类型（整型、浮点型、布尔型等），也支持原始数组类型。 - 结构：消息可以包含任意嵌套结构和数组，类似于C语言中的结构体。 3. **主题(Topic)** - 定义：消息通过主题以发布/订阅的方式传递。 - 工作机制：一个节点可以在指定的主题中发布消息，其他节点可以订阅该主题以接收特定类型的数据。 - 特性：发布者和订阅者之间是匿名的，即彼此不知道对方的存在。 4. **服务(Service)** - 定义：用于同步传输模式，类似于Web服务器的工作原理，由URIs定义，带有严格规范的消息定义（请求和回应）。 - 特点：与主题不同，一个服务只能由一个节点以唯一的名字提供。 - 用途：适用于需要同步交互的情况，如请求机器人执行特定动作。 **ROS Master**的作用是作为中央控制器，通过RPC（Remote Procedure Call Protocol，远程过程调用协议）提供节点的注册和查找服务。没有ROS Master，节点将无法找到其他节点，也无法交换消息或调用服务。 #### 三、文件系统级 **文件系统级**是指ROS源代码在硬盘上的组织形式。为了有效管理ROS中的大量节点、消息、服务、工具和库文件，ROS采用了以下几种关键的概念： 1. **包(Package)** - 定义：ROS的软件是以包的形式组织起来的。 - 内容：包包含节点、ROS依赖库、数据集、配置文件、第三方软件等。 - 目标：提供一种易于使用的结构以便于软件的复用。 2. **堆(Stack)** - 定义：堆是包的集合。 - 用途：提供一个完整的功能集合，如“navigation stack”。 - 关联：堆与版本号相关联，也是ROS软件发行方式的关键。 **Manifests (manifest.xml)** - 提供关于包的元数据，包括许可信息、包间的依赖关系、语言特性信息等。 **Stack manifests (stack.xml)** - 提供关于堆的元数据，如依赖关系、组件列表等。 ROS采用这样的结构不仅有助于代码的管理和分发，还促进了软件的模块化和重用，大大提升了开发效率和软件质量。 ROS作为一个面向机器人的软件开发框架，其设计思路体现了高度的灵活性和可扩展性，为机器人领域的发展提供了强大的支持。