智能網(wǎng)聯(lián)汽車計算平臺部署與測試 課件 5.6 ROS通信系統(tǒng)的構(gòu)建

智能網(wǎng)聯(lián)汽車

計算平臺部署與測試項目五ROS的安裝與使用任務(wù)6ROS通信系統(tǒng)的構(gòu)建目錄01.任務(wù)描述02.任務(wù)目標(biāo)03.任務(wù)準(zhǔn)備04.知識準(zhǔn)備05.任務(wù)實施06.評價反饋01.任務(wù)描述

基于ROS研發(fā)出一個無人駕駛小車，會存在節(jié)點A用于控制底盤輪子的轉(zhuǎn)動，節(jié)點B用于驅(qū)動攝像頭獲取圖形信息，節(jié)點C用于驅(qū)動激光雷達(dá)，節(jié)點D用于收集傳感器信息進(jìn)行路徑規(guī)劃等等，這樣分布式排列節(jié)點能夠盡可能避免處理復(fù)雜程序時發(fā)生崩潰的情況。往往在實際情況中，整體系統(tǒng)的功能多，運行節(jié)點數(shù)量也非常龐大，作為測試工程師，請你幫助助理工程師了解節(jié)點分布結(jié)構(gòu)以及各節(jié)點之間如何通信。02.任務(wù)目標(biāo)通過學(xué)習(xí)，希望同學(xué)們完成以下任務(wù)。了解ROS常用的通信機(jī)制。了解如何創(chuàng)建ROS通信節(jié)點。熟悉不同通信機(jī)制的操作命令。能夠創(chuàng)建簡單的ROS通信節(jié)點。能夠正常啟動創(chuàng)建的節(jié)點。獲得多途徑檢索知識、分析解決問題以及多元化思考解決問題的方法，形成創(chuàng)新意識。具備良好的職業(yè)道德。具有良好的團(tuán)隊協(xié)作精神和較強(qiáng)的組織溝通能力。能夠通過命令查詢節(jié)點的相關(guān)信息。03.任務(wù)準(zhǔn)備常規(guī)實訓(xùn)著裝防護(hù)裝備安裝有ROS系統(tǒng)的計算機(jī)平臺教學(xué)設(shè)備ROS教學(xué)工具04.知識準(zhǔn)備（一）節(jié)點（node）

節(jié)點是指在ROS中運行的最小進(jìn)程單元，可以把它看作一個可執(zhí)行程序或一個小的功能模塊。例如，自動駕駛車輛可能會把激光雷達(dá)定義為一個節(jié)點，深度攝像頭是另一個節(jié)點，線控底盤也是一個節(jié)點。在ROS中，注重各個功能模塊的復(fù)用，經(jīng)常將較復(fù)雜的功能細(xì)分為多個節(jié)點，可以提升節(jié)點的可復(fù)用型，有利于提升編程效率。一、ROS常見術(shù)語（二）主節(jié)點（master）

主節(jié)點負(fù)責(zé)節(jié)點到節(jié)點的連接和消息通信，類似于節(jié)點管理器的作用。當(dāng)節(jié)點運行時，需要向主節(jié)點注冊自己的信息（節(jié)點名，發(fā)布/接收的話題名、服務(wù)名、消息類型等），通過主節(jié)點建立起節(jié)點間的訪問和消息的傳遞。智慧貓的決策單元就充當(dāng)了主節(jié)點的角色。（三）消息（msg）

節(jié)點之間通過消息來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，消息里包括消息的簡單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。使用消息的通信方法包括TCPROS、UDPROS等。每一條消息都要發(fā)布到相應(yīng)的話題。例如，定義一個名為障礙物的消息類型，消息中包含的五個字段，分別是障礙物的長度、寬度、高度、運動線速度和運動角速度。（四）話題（topic）話題可以理解為是某一類消息的總稱，發(fā)布者（publisher）和訂閱者（subscriber）通過向主節(jié)點注冊話題名，來建立相互之間的連接，通過TCPROS/UDPROS來實現(xiàn)具體消息的傳遞。話題是一種異步通信方式，一個話題可以有多個訂閱者，發(fā)布者和訂閱者之間是相互解耦的，發(fā)布者發(fā)布話題時不需要有訂閱者，訂閱者訂閱話題時不需要有發(fā)布者。話題的名稱在功能包里必須具有唯一性。

例如，自動駕駛車輛的攝像頭、驅(qū)動系統(tǒng)和制動系統(tǒng)都被分別定義為單獨的一個節(jié)點。攝像頭節(jié)點發(fā)布一個檢測路面是否出現(xiàn)行人的主題，頻率為20Hz，攝像頭此時就充當(dāng)一個主題發(fā)布者的角色。再定義驅(qū)動系統(tǒng)和制動系統(tǒng)都去訂閱這個檢測路面行人的主題，那么這兩個節(jié)點就充當(dāng)該主題的訂閱者。如果前方出現(xiàn)行人，驅(qū)動系統(tǒng)停止工作，制動系統(tǒng)則會同步制動車輛。（六）動作（action）

動作類似于服務(wù)，是一種基于請求—響應(yīng)的雙向通信方式。但是，它增加了中途反饋，因此適用于需要較長通信時間的場景?？梢栽谶^程中查看進(jìn)度或終止請求。例如，自動駕駛車輛的人機(jī)交互節(jié)點要求與導(dǎo)航算法節(jié)點建立動作方式的通信連接，以便及時獲取車輛是否抵達(dá)目標(biāo)位置的信息，通常消息類型包含接收節(jié)點ID、目標(biāo)是否達(dá)成、任務(wù)完成進(jìn)度等。（五）服務(wù)（service）當(dāng)一個節(jié)點需要從另外一個節(jié)點發(fā)出請求并期望獲得響應(yīng)時，我們就需要借助于服務(wù)的客戶端和服務(wù)器來實現(xiàn)同步雙向消息的傳遞。適用于節(jié)點之間需要直接進(jìn)行通信，且不能使用話題發(fā)布方式的場合。例如，當(dāng)自動駕駛車輛在行駛過程中需要提高車速時，主節(jié)點向毫米波雷達(dá)節(jié)點發(fā)送服務(wù)請求，請求消息類型是車輛正前方，測量范圍是150m。毫米波雷達(dá)節(jié)點收到服務(wù)請求后，將探測結(jié)果直接反饋給主節(jié)點，當(dāng)響應(yīng)消息是無任何障礙物時，車輛即可加速。二、節(jié)點（node）

為了最大化用戶的可重用性，ROS是以節(jié)點（node）的形式開發(fā)的，而節(jié)點是根據(jù)其目的細(xì)分的可執(zhí)行程序的最小單位。節(jié)點通過消息（message）與其他的節(jié)點交換數(shù)據(jù)，最終成為一個大型的程序。節(jié)點之間的消息通信分為三種：單向消息發(fā)送/接收方式的話題（topic）、雙向消息請求/響應(yīng)方式的服務(wù)（service）、雙向消息目標(biāo)（goal）/結(jié)果（result）/反饋（feedback）方式的動作（action）。另外，在節(jié)點中使用的參數(shù)可以從外部進(jìn)行修改。ROS的節(jié)點通信結(jié)構(gòu)如圖所示。ROS的節(jié)點通信結(jié)構(gòu)圖

節(jié)點名在系統(tǒng)中必須唯一。節(jié)點可以采用C++或Python語言來進(jìn)行編寫。所有節(jié)點啟動的時候都要在主節(jié)點進(jìn)行注冊，因此在運行節(jié)點的時候，必須要先啟動主節(jié)點（master），否則啟動的時候會報錯。節(jié)點間通信的架構(gòu)圖三、ROS通信ROS中主要的通信方式有話題（topic）、服務(wù)（service）和動作（action）三種。話題（topic）是最常用的一種。對于實時性、周期性的消息，使用話題（topic）來傳輸是最佳的選擇。話題（topic）是一種點對點的單向通信方式，這里的“點”指的是節(jié)點（node）。使用話題（topic）通信時，首先需要將publisher節(jié)點和subscriber節(jié)點都轉(zhuǎn)移到節(jié)點管理器進(jìn)行注冊，其次publisher會發(fā)布topic，subscriber在master的指揮下會訂閱該topic，從而建立起sub-pub之間的通信，注意整個過程是單向的。服務(wù)（service）方式在通信模型上與topic做了區(qū)別。服務(wù)（service）通信是雙向的，它不僅可以發(fā)送消息，同時還會有反饋。所以服務(wù)（service）包括兩部分，一部分是請求方（Clinet），另一部分是應(yīng)答方/服務(wù)提供方（server）。這時請求方（Client）就會發(fā)送一個request，要等待server處理，反饋回一個reply，這樣通過類似“請求—應(yīng)答”的機(jī)制完成整個服務(wù)通信。動作（action）通信中，actionlib是ROS中一個很重要的庫，類似service通信機(jī)制，actionlib也是一種請求響應(yīng)機(jī)制的通信方式，actionlib主要彌補(bǔ)了service通信的一個不足，就是當(dāng)機(jī)器人執(zhí)行一個長時間的任務(wù)時，假如利用service通信方式，那么publisher會很長時間接收不到反饋的reply，致使通信受阻。當(dāng)service通信不能很好地完成任務(wù)時候，actionlib則比較適合實現(xiàn)長時間的通信過程，actionlib通信過程可以隨時被查看過程進(jìn)度，也可以終止請求，這樣的特性使得它在一些特別的機(jī)制中擁有很高的效率。（一）話題（topic）1.消息（msg）消息（msg）就是節(jié)點間話題通信時傳遞的具體信息，msg的類型包括bool、int、uint、float、string、array等，自定義的消息文件后綴為“.msg”。我們可以把msg理解為是一個“類”，那么每次發(fā)布的內(nèi)容可以理解為“對象”，以圖像的消息sensor_msg/image中的image.msg為例，消息文件定義內(nèi)容如下：

（1）std_msg/Headerheader

（2）uint32seq//消息序號（3）timestamp//存儲ROS中的時間戳信息（4）stringframe_id//綁定的坐標(biāo)系（5）uint32height//圖像的高度（6）uint32width //圖像的寬度（7）stringencoding//圖像的編碼格式（8）uint8is_bigendian//圖像數(shù)據(jù)的大小端存儲模式（9）uint32step //一行圖像數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)量，作為數(shù)據(jù)的步長(以字節(jié)為單位)（10）uint8[]data //存儲圖像數(shù)據(jù)的數(shù)組，大小為step*height個字節(jié)2.話題（topic）的發(fā)布和訂閱訂閱者和發(fā)布者在主節(jié)點中注冊話題名及消息的類型，訂閱者通過查詢在主節(jié)點中注冊的話題名稱，找到與之相匹配的發(fā)布者并建立連接，來實現(xiàn)話題的具體消息的接收。訂閱者和發(fā)布者有以下三種對應(yīng)關(guān)系：（1）一對一；（2）一對多；（3）多對多。話題訂閱和發(fā)布的通信結(jié)構(gòu)一對一關(guān)系一對多關(guān)系多對多關(guān)系（二）服務(wù)（Service）1.服務(wù)文件（srv）類似msg文件，srv文件是用來描述service數(shù)據(jù)類型的，service通信的數(shù)據(jù)格式定義在*.srv中。它聲明了一個服務(wù)，包括請求(request)和響應(yīng)（reply）兩部分。2.服務(wù)（service）服務(wù)（service）的特點：自定義的服務(wù)文件后綴為“.srv”。包含有客戶端（client）和服務(wù)端（server）的服務(wù)是同步雙向通信，不僅可以發(fā)送消息，而且還會有應(yīng)答，這樣會形成阻塞?？蛻舳撕头?wù)端分別在主節(jié)點中注冊發(fā)布的服務(wù)名及請求的服務(wù)名等。服務(wù)的發(fā)布和訂閱的通信結(jié)構(gòu)（三）動作（Action）1.動作（action）文件模板類似msg文件，action文件是用來描述action相關(guān)信息的，action通信的數(shù)據(jù)格式定義在*.action中。它聲明了一個動作，包括目標(biāo)、反饋、結(jié)果三個部分。2.動作（Action）特點動作（Action）的特點如下：（1）動作和服務(wù)一樣，都包含請求和應(yīng)答。（2）動作比服務(wù)多了中途反饋，客戶端可以在多種執(zhí)行中獲得動作的狀態(tài)信息、結(jié)果信息或取消動作。（3）動作的消息傳輸方式屬于異步雙向通信，不會形成阻塞。動作的通信結(jié)構(gòu)圖05.任務(wù)實施按照前面所了解的知識內(nèi)容和小組內(nèi)部討論的結(jié)果，制