《鴻蒙機(jī)器人編程》2-ROS通信與工作機(jī)制-教案

ROS星火計劃 ROS工作原理及通信機(jī)制 NXROBO&ExBotROS工作原理及通信機(jī)制通過前面的學(xué)習(xí)，大家對ROS已經(jīng)有了個感性的認(rèn)識?，F(xiàn)在向大家講解ROS的工作原理和通信機(jī)制，是大家今后用ROS來開發(fā)或做研究的前提和基礎(chǔ)。在本講中你將了解：智能機(jī)器人工作流程ROS的工作原理及基本概念ROS消息通信機(jī)制ROS服務(wù)通信機(jī)制ROS動作通信機(jī)制ROS參數(shù)服務(wù)器通信機(jī)制智能機(jī)器人工作流程智能機(jī)器人就是能夠自主幫人類去做相應(yīng)的事情的機(jī)器人。智能機(jī)器人一般是按如下的流程去工作。首先通過傳感器來感知自身的狀態(tài)和周圍的環(huán)境。根據(jù)自身的狀態(tài)和周圍的環(huán)境做任務(wù)的決策，也就是決定現(xiàn)在應(yīng)該做什么。然后進(jìn)行動作的規(guī)劃，根據(jù)規(guī)劃出的動作去驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)去執(zhí)行動作。執(zhí)行結(jié)束后將狀態(tài)反饋回控制程序，控制程序根據(jù)反饋的狀態(tài)來進(jìn)一步調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這樣周而復(fù)始來完成人類交給他的任務(wù)。智能機(jī)器人的傳統(tǒng)實現(xiàn)方式：將復(fù)雜的系統(tǒng)描畫分成一個一個相對獨立的模塊，相對獨立的模塊再細(xì)分成更小的模塊，然后用函數(shù)去實現(xiàn)。大的模塊或者函數(shù)就會調(diào)用小的模塊或者函數(shù)。這樣復(fù)雜的功能去通過模塊化的方式把它進(jìn)行分解。函數(shù)調(diào)用的一個特點就是緊耦合，讓程序的執(zhí)行效率更高。由于結(jié)構(gòu)和特性，會比較低。也會帶來一些問題：函數(shù)依賴性強(qiáng)，他們相互影響相互作用，使得運行開發(fā)的這個效率會比較低，同時也不利于調(diào)試或定位錯誤。運行期間也會存在問題，某一項功能出錯或者沒實現(xiàn)，那么整個系統(tǒng)都沒辦法運行出來。ROS的工作機(jī)制——ComputationalGraph（計算圖）將機(jī)器人復(fù)雜功能分割成一個個小的計算節(jié)點，小節(jié)點之間通過topic或者service來通信，這種圖稱之為計算圖。ROS通信層術(shù)語-Resource、NamespaceResource：構(gòu)成計算圖的一切東西，比如：node、topic、service、parameter等需要對資源進(jìn)行命名，且要求在系統(tǒng)中具有唯一性。Namespace：為；避免名字沖突，ROS給同一個功能模塊的資源名字加上“前綴”，這個“前綴”就叫做名字空間?？梢詫Ρ菴++中的namespace概念，將不同的主機(jī)，不同的功能區(qū)塊或者不同機(jī)器人內(nèi)部的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝隱藏，對于代碼的重用性有很好的提升。NodeRelative(default)GlobalPrivate

/node1bar->/bar/bar->/bar~bar->/node1/bar

/wg/node2bar->/wg/bar/bar->/bar~bar->/wg/node2/bar

/wg/node3foo/bar->/wg/foo/bar/foo/bar->/foo/bar~foo/bar->/wg/node3/foo/barROS通信層術(shù)語-NodeNode：是一個數(shù)據(jù)處理或執(zhí)行動作的進(jìn)程，是計算圖中的獨立個體，系統(tǒng)中的獨立功能單元。怎樣設(shè)計node?密集的通信會導(dǎo)致系統(tǒng)性能的下降而過于緊密的聚合度會增加代碼的耦合度ROS通信層術(shù)語-MasterNodeMasternode:計算圖中的管理通信節(jié)點所有信息的中心節(jié)點（超級節(jié)點）它跟蹤節(jié)點中的publisher與subscriber，service的server與client，記錄其他節(jié)點的位置（uri標(biāo)明，host與port），并將這些信息通知給需要建立鏈接的節(jié)點。ROS中無時間同步??！ROStime為當(dāng)前系統(tǒng)時間！多機(jī)需要同步系統(tǒng)時間的工具來實現(xiàn)RPS內(nèi)時鐘同步。ROS通信層術(shù)語-TopicTopic：ROS中廣為使用的是異步的publish-subscribe通信模式。這種方式將信息的產(chǎn)生和使用雙方解耦，首發(fā)雙方的信息都是由masternode進(jìn)行管理。常用于不斷更新的，含有較少邏輯處理的數(shù)據(jù)通信ROS通信層術(shù)語-ServiceService：用于處理ROS通信中的同步通信，采用server/client語義。每個servicetype擁有request與response兩部分，對于service中的Server，ROS不會檢查重名（nameconflict），只有最后注冊的server會生效，與client建立連接。常用于資料量較小，但有強(qiáng)邏輯處理的數(shù)據(jù)交換。ROS通信層術(shù)語-ParameterParameter可以看作為ROS系統(tǒng)運行時中定義的全局變量，而Masternode中有Parameterserver來維護(hù)這些變量。這些變量的命名同樣遵循namespace的命名規(guī)則。而namespace的存在使得parameter擁有了非常清晰的層次劃分，避免了重名，而且使得parameter訪問可以單獨訪問也可以樹狀訪問（層層解析namespace）ROS通信層術(shù)語-URI定位node在分布式系統(tǒng)中的位置格式為：protocol://host:portProtocol一般為http或者rosrpc，host為hostname或者IP地址，port則為埠號。比如，在多臺計算機(jī)上運行ROS的時候，通常需要指定ROSMaster的位置（整個系統(tǒng)只能有一個）ROS通信層術(shù)語-XML-RPCROS通過遠(yuǎn)程過程調(diào)用來建立節(jié)點之間的連接以及數(shù)據(jù)傳輸，ROS中的遠(yuǎn)程過程調(diào)用通過XML-RPC協(xié)議實現(xiàn)XML-RPC：ROS通信網(wǎng)路中的基礎(chǔ)，一種通用遠(yuǎn)程調(diào)用協(xié)議用于masternode與其他節(jié)點之間的信息交換

傳輸文本使用XML支持（支持語言類型多）調(diào)用時無狀態(tài)（邏輯較為簡單）ROS中topic/servicep2p傳輸時的nodename信息交換與parameterserver都是由XML-RPC進(jìn)行支持Parameterserver直接使用XML-RPC的數(shù)據(jù)類型：int或者i4是32位的有符號整型，十進(jìn)制表示中，前綴-號則為負(fù)數(shù)。boolean只有兩種取值，0和1，用于表示布爾類型。double實數(shù)類型，前綴-號表示負(fù)數(shù)。dataTime.iso8601日期時間，用iso-8601格式表示。base64用base64算法編碼的二進(jìn)制字符串。arrayvalues組成的表，在data實體下一層Struct又稱為map表示關(guān)系的集合，每一個struct實體是由一個name與value的鍵值對組成。ROS消息通信機(jī)制兩個節(jié)點，一個是camera節(jié)點，一個是viewer節(jié)點。Cemera節(jié)點從攝像頭采集數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，把包發(fā)布到軟件總線上。Viewer功能是把圖像顯示出來，topic有數(shù)據(jù)的話就取下來然后顯示出來。兩個節(jié)點通過topic聯(lián)系，降低了node節(jié)點之間的耦合。ROS消息的數(shù)據(jù)類型Std_msgsSensor_msgsGeometry_msgsNav_msgs

actionglib_msgs生成自己的自定義類型ROS消息通信機(jī)制-特點異步“stream-like”通信異步的publish-subscribe通信模式可以有多個發(fā)布者，可以多個訂閱者TCP/IP或UDP傳輸協(xié)議強(qiáng)類型消息傳輸非阻塞方式，調(diào)用完馬上返回常用于不斷更新的，含有較少邏輯處理的數(shù)據(jù)通信ROS服務(wù)通信機(jī)制一個叫client_node節(jié)點，一個叫server_node節(jié)點。client_node功能是調(diào)用某一個服務(wù)，也就是請求幫忙。server_node主要功能是提供服務(wù)。client_node提出請求時將參數(shù)提供給server_node，server_node收到參數(shù)后進(jìn)行計算，將結(jié)果返回給client_node。引入兩個概念，一是request請求，二是response響應(yīng)。Talker服務(wù)器，提供的服務(wù)首先在ROSMaster中注冊，通過函數(shù)告知ROSMaster提供一項服務(wù)，ROSMaster收到消息后允許，如果沒有此服務(wù)就建立一條記錄登記這個服務(wù)，記錄Talker的ID。Listener會向ROSMaster請求服務(wù)，ROSMaster會把此服務(wù)相關(guān)信息發(fā)送給Listener。Listener會向Talker請求并提供參數(shù)，Talker進(jìn)行相應(yīng)的計算并將結(jié)果返回給Listener。系統(tǒng)已有的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)類型SetCameraInfoGetMapGetPlanSetMap自定義服務(wù)類型two_num_addition.srv文件ROS服務(wù)通信機(jī)制-特點同步“function-call-like”通信CS-模式只有一個服務(wù)器，可以有多個客戶端TCP/IP或UDP傳輸協(xié)議強(qiáng)類型消息傳輸阻塞方式，一旦調(diào)用，客戶端得等待服務(wù)器端執(zhí)行完才返回，繼續(xù)執(zhí)行下面語句常用于工作量較小的情形，但有強(qiáng)邏輯處理的數(shù)據(jù)交換ROS動作通信機(jī)制客戶端請求服務(wù)，服務(wù)器端提供服務(wù)，跟service方式比較相似。ROS動作通信機(jī)制-特點形式上與service相同，屬于直接點對點通信調(diào)用形式與message方式類似，非阻塞方式，調(diào)用后立即返回，可以繼續(xù)執(zhí)行下面的語句提供了一種狀態(tài)查詢及反饋機(jī)制，讓客戶端了解服務(wù)器端的執(zhí)行情況常用于計算量較大的情形，且有強(qiáng)邏輯處理的數(shù)據(jù)交換ROSParameterService通信機(jī)制Parameterserver就設(shè)置在masternode中。DynamicReconfigure給出一種實時監(jiān)測m