ROS 架构

ROS 的架构

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软件层次架构

从软件实现的角度，ROS 的架构可以分为三个层次：OS层，中间层，应用层；

• OS 层：OS 层建立在 Linux 操作系统之上；主要提供了硬件抽象、底层驱动等；
• 中间层：ROS 的中间层进一步封装 OS 层提供的接口，为应用层提供格式统一，模块化的接口。其主要工作为：
  1. 把 TCP/UDP 通信封装为 TCPROS/UDPROS，并提供主题通信、服务通信、参数共享等三种通信方式；
  2. 额外提供进行间通信方式–Nodelet，适用于实时性较高的应用；
  3. 在通信的基础之上提供大量机器人开发的库，如数据类型定义，坐标变换，运动控制等
• 应用层主要调用中间层的接口实现各种应用功能。在应用层，我们需要注意的有：
  1. 应用层有一个管理者 Master，负责管理整个系统的运行；
  2. ROS 社区共享了大量机器人应用功能包，功能包内的模块都是以节点为单位运行，以 ROS 标准的输入输出作为接口。我们在使用的时候，不需要关注模块内部实现细节，只用明白接口规则即可复用。

系统层次架构

从系统实现的角度，ROS 可以划分为：计算图、文件系统、开源社区三个视角；如下图所示：

计算图

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从计算图的结构来看，ROS 系统软件的功能模块是以节点（节点即为进程）为单位独立运行的，节点以拓扑的方式互联，构成了一个系统网络，即为系统的计算图。如下图所示：

端点表示各个节点，端点之间的边表示节点之间的通信方式。
在计算图中，有几个重要的概念要着重说明：消息、话题、服务、节点管理器；

消息（Message）

消息，又称之为 话题消息，它是话题通信发送的信息。每一种消息都是一种严格的数据结构。消息类型支持标准的数据类型（整型，浮点型，布尔型等），也支持嵌套结构和数组，还可以进行自定义；

话题（Topic）

话题 是 ROS 系统中最核心的通信方式，它基于发布/订阅（Publish/Subsribe）的方式传递。一个节点可以针对一个话题（Topic）发布消息（这个节点的角色为发布者/Talker），一个节点可以订阅这个消息（这个节点称为订阅者/Listener）；话题（Topic）通信具有如下特点：

• 发布者和订阅者并不知道彼此的存在；
• 一个话题（Topic）可以有多个发布者，也可以有多个订阅者；
• 发布者向话题（Topic）发布消息，订阅者从话题（Topic）接收消息，消息的流向是单方向的；

服务（Service）

服务（Service）是ROS中另外一个重要的通信方式，它基于 C/S 模型实现。一个节点成为服务端（Server），一个节点成为客户端（Client）；客户端发送请求，服务端回应请求；这种通信方式具有以下特点：

• 服务端和客户端必须知道彼此的存在；
• 客户端发送请求，服务端回应请求，信息流向是双向的；
• 数据类型包含两部分：请求数据类型、应答数据类型；

Master（节点管理器）

ROS Master，ROS系统的管理者，也称为节点管理器(因为ROS的应用程序可以认为由节点的拓扑结构组成)，其主要作用是管理整个ROS系统的正常运行；具体主要表现在:

1. 登记和管理节点信息、话题信息，帮助节点之间相互查找和建立连接；
2. 管理全局共享参数，为共享参数通信提供帮助；

文件系统

按照工程文件的组织结构，ROS 功能包的文件系统组织结构如下：

首先来说明功能包中各个部分的内容：

功能包（Package）：功能包是ROS软件中的基本单元，包含ROS节点、库、配置文件等；

• 功能包清单（Package Manifest）：每一个功能包都包含一个名为 package.xml 的功能包清单，用于记录功能包的基本信息，包含作者信息、许可信息、依赖选项、编译标志等；如下图所示：

• CMakeList.txt：编译器编译功能包的规则；
• 消息类型（msg）：存放自定义的消息类型文件，文件名以 .msg 结尾；
• 服务类型（srv）：存放自定义服务类型文件，文件名以 .srv 结尾；
• 源码（src）：用来存放功能包源代码的文件；
• 其他的文件夹含义：
  • config：放置功能包中的配置文件，由用户创建、文件名可以不同；
  • inlude：放置功能包中需要用到的头文件；
  • scripts：放置可以直接运行的 Python 脚本；
  • launch：放置功能包中的所有启动文件；
  • action：放置功能包自定义的动作指令；

元功能包

元功能包是一种特殊的功能包，只包含一个 package.xml 元功能包清单文件。它的主要作用就是将多个功能包整合成一个逻辑上独立的功能包，类似于功能包集合的概念；
元功能包清单 package.xml 文件与功能包清单 package.xml 文件类型，但是需要包含一个引用标签如下：

<export>
    <metapackage/>
</export>

元功能包清单也不需要 <buildtool_depend> 标签声明编译过程依赖的其他功能包，只需要使用 <run_depend> 标签声明功能包运行时依赖的其他功能包。

导航功能包的元功能包清单如下：

$ roscd navigation
$ gedit package.xml

开源社区

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ROS 开源社区中资料非常丰富，主要有以下几种：

• 提供ROS的发行版（Distrubutiom）
• 提供软件源（Repository）：不同的组织机构可以开发或者共享自己的机器人软件；
• ROS Wiki：记录 ROS 信息文档的主要论坛，所有人都可以注册、登陆，并上传自己开发的文档；
• 邮件列表（Mailing List）：交流 ROS 更新的主要渠道；
• ROS Answers：咨询ROS相关问题的主要网站；
• 博客：发布ROS 社区中新闻、图片，视频（http://www.ros.org/news）

功能包、元功能包、软件仓库、ROS 社区的主要关系