數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 課件 第10章 智能機(jī)器人的操作系統(tǒng)

第10章智能機(jī)器人的操作系統(tǒng)本章提要機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信系統(tǒng)基本模型ROS通信系統(tǒng)10.1機(jī)器人操作系統(tǒng)ROSROS起源于2007年斯坦福大學(xué)人工智能實(shí)驗(yàn)室的項(xiàng)目與機(jī)器人技術(shù)公司W(wǎng)illowGarage的個(gè)人機(jī)器人項(xiàng)目（PersonalRobotsProgram）之間的合作，2008年之后就由WillowGarage來(lái)進(jìn)行推動(dòng)。該項(xiàng)目研發(fā)的PR2機(jī)器人在ROS框架的基礎(chǔ)上可以完成打臺(tái)球、插插座、做早飯等驚人的功能，由此ROS引起了廣泛的關(guān)注。2010年，WillowGarage正式開(kāi)放ROS源代碼，很快在機(jī)器人領(lǐng)域掀起了新的浪潮。圖10-1PR2機(jī)器人10.1機(jī)器人操作系統(tǒng)ROSROS英文全稱RobotOperatingSystem，即機(jī)器人操作系統(tǒng)。ROS由通信機(jī)制、開(kāi)發(fā)工具、應(yīng)用功能和生態(tài)系統(tǒng)四個(gè)部分組成。圖10-2ROS基本構(gòu)成10.2點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信系統(tǒng)基本模型ROS的核心功能是提供一種軟件點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信機(jī)制，其運(yùn)行架構(gòu)是一種基于Socket網(wǎng)絡(luò)連接的松耦合架構(gòu)，在這個(gè)運(yùn)行架構(gòu)中包括一系列進(jìn)程，這些進(jìn)程可以駐留在多個(gè)不同的主機(jī)上并且在運(yùn)行的過(guò)程中通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)通信。圖10-3點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信系統(tǒng)基本模型10.2點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信系統(tǒng)基本模型各模塊作用如下：(1)信源把待傳輸?shù)南⑥D(zhuǎn)換成原始電信號(hào)；發(fā)送設(shè)備也稱為變換器，它將信源發(fā)出的信息變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?hào)，使原始信號(hào)（基帶信號(hào)）適應(yīng)信道傳輸特性的要求。(2)信道是傳遞信息的通道及傳遞信號(hào)的設(shè)施。按傳輸介質(zhì)（又稱傳輸媒質(zhì)）的不同，分為有線信道和無(wú)線信道（如微波通信、衛(wèi)星通信、無(wú)線接入等）；10.2點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信系統(tǒng)基本模型(3)接收設(shè)備的功能與發(fā)送設(shè)備相反，把從信道上接收的信號(hào)變換成信息接收者可以接收的信息，起著還原的作用；(4)受信者（信宿）是信息的接收者，將復(fù)原的原始信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息；(5)噪聲源是指系統(tǒng)內(nèi)各種干擾影響的等效結(jié)果。為便于分析，一般將系統(tǒng)內(nèi)所存在的干擾（環(huán)境噪聲、電子器件噪聲、外部電磁場(chǎng)干擾等）折合于信道中。10.3ROS通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)智能機(jī)器個(gè)體以及群體機(jī)器人協(xié)調(diào)工作中的一個(gè)重要組成部分。ROS將每個(gè)工作進(jìn)程都看作是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，使用節(jié)點(diǎn)管理器進(jìn)行統(tǒng)一管理，并提供了一套消息傳遞機(jī)制，包括基于主題的異步數(shù)據(jù)流通信、基于服務(wù)的同步RPC通信和基于參數(shù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳遞。程序運(yùn)行時(shí)，所有進(jìn)程以及他們所進(jìn)行的數(shù)據(jù)處理，將會(huì)通過(guò)一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)形式表現(xiàn)出來(lái)。這一級(jí)主要包括幾個(gè)重要概念：節(jié)點(diǎn)（node）、消息（message）、主題（topic）、服務(wù)（service）節(jié)點(diǎn)管理器（ROSMaster）。10.3ROS通信系統(tǒng)1、節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)就是一些執(zhí)行運(yùn)算任務(wù)的進(jìn)程。并能夠通過(guò)主題、服務(wù)、或參數(shù)服務(wù)器與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。節(jié)點(diǎn)也可以被稱之為“軟件模塊”。使用“節(jié)點(diǎn)”使得基于ROS的機(jī)器人系統(tǒng)在運(yùn)行的時(shí)候更加形象化：當(dāng)許多節(jié)點(diǎn)同時(shí)運(yùn)行時(shí)，可以很方便的將端對(duì)端的通訊繪制成一個(gè)圖表。10.3ROS通信系統(tǒng)2、消息節(jié)點(diǎn)之間是通過(guò)傳送消息進(jìn)行通訊的。消息包含一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送到其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息。消息有多種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類型，例如整型，浮點(diǎn)型，布爾型等，同時(shí)用戶頁(yè)可以基于標(biāo)準(zhǔn)消息開(kāi)發(fā)自定義消息類型。10.3ROS通信系統(tǒng)3、主題消息以一種發(fā)布/訂閱的方式傳遞。一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以在一個(gè)給定的主題中發(fā)布消息。一個(gè)節(jié)點(diǎn)針對(duì)某個(gè)主題關(guān)注與訂閱特定類型的數(shù)據(jù)?？赡芡瑫r(shí)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)布或者訂閱同一個(gè)主題的消息。10.3ROS通信系統(tǒng)4、服務(wù)在Web服務(wù)中，使用客戶端/服務(wù)器（C/S）模型，客戶端發(fā)送請(qǐng)求數(shù)據(jù)，服務(wù)器完成處理后返回應(yīng)答數(shù)據(jù)，是十分有效的同步傳輸模式。在ROS中，服務(wù)用于請(qǐng)求應(yīng)答模型，必須擁有一個(gè)唯一的名稱。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)提供某個(gè)服務(wù)時(shí)，所有的節(jié)點(diǎn)都可以使用ROS客戶端庫(kù)編寫(xiě)的代碼與之通信。10.3ROS通信系統(tǒng)5、節(jié)點(diǎn)管理器在上面概念的基礎(chǔ)上，需要有一個(gè)控制器可以使所有節(jié)點(diǎn)有條不紊的執(zhí)行，這就是一個(gè)ROS的控制器（ROSMaster）。ROSMaster通過(guò)RPC（RemoteProcedureCallProtocol，遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用）提供了登記列表和對(duì)其他計(jì)算圖表的查找。沒(méi)有控制器，節(jié)點(diǎn)將無(wú)法找到其他節(jié)點(diǎn)，交換消息或調(diào)用服務(wù)。10.3.1基于主題的異步數(shù)據(jù)流通信ROS通過(guò)主題實(shí)現(xiàn)發(fā)布訂閱模型的消息傳遞，在主題通信中，發(fā)布者發(fā)布的數(shù)據(jù)通過(guò)主題傳遞給訂閱者，訂閱者不需要反饋給發(fā)布者是否收到消息，一個(gè)主題上可以擁有多個(gè)發(fā)布者和訂閱者，同時(shí)一個(gè)節(jié)點(diǎn)也可以發(fā)布或者訂閱多個(gè)主題。主題的名稱必須具有唯一性，否則在同名主題之間的消息路由就會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。圖10-4發(fā)布者、訂閱者和主題之間的關(guān)系10.3.1基于主題的異步數(shù)據(jù)流通信為了確保正常的數(shù)據(jù)流交換，ROS通過(guò)節(jié)點(diǎn)管理器Master來(lái)管理發(fā)布者與訂閱者，使得發(fā)布者的消息可以正確的發(fā)送給訂閱者，因此每當(dāng)有一個(gè)新的發(fā)布者或者訂閱者產(chǎn)生時(shí)，都必須在Master上注冊(cè)信息。當(dāng)發(fā)布者在Master上注冊(cè)時(shí)，Master會(huì)保存發(fā)布者的URI（統(tǒng)一資源標(biāo)識(shí)符）和發(fā)布者發(fā)布的主題。圖10-5基于主題的數(shù)據(jù)流通信過(guò)程10.3.1基于主題的異步數(shù)據(jù)流通信(1)Talker注冊(cè)(2)Listener注冊(cè)(3)Master進(jìn)行信息匹配(4)Listener發(fā)送連接請(qǐng)求(5)Talker確認(rèn)連接請(qǐng)求(6)Listener與Talker建立網(wǎng)絡(luò)連接(7)Talker與Listener數(shù)據(jù)通信ROS的主題通信支持TCPR和UDPS兩種通信協(xié)議，基于主題的數(shù)據(jù)流通信一般包含以下七個(gè)流程。10.3.2基于服務(wù)的同步RPC通信基于服務(wù)的同步RPC通信也需要通過(guò)XMLRPC在Master上注冊(cè)服務(wù)，客戶端節(jié)點(diǎn)通過(guò)XMLRPC在Master上尋找與服務(wù)對(duì)應(yīng)的服務(wù)器端節(jié)點(diǎn)，然后與其建立TCP連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)流通信。圖10-6基于服務(wù)的同步RPC通信流程10.3.3基于參數(shù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳遞參數(shù)服務(wù)器是ROS上一種共享的多變量參數(shù)字典，一般用來(lái)存儲(chǔ)一些靜態(tài)的非二進(jìn)