Apollo进阶课程㊱丨Apollo ROS深入介绍
原文鏈接：進階課程?丨Apollo ROS深入介紹?
ROS是一個強大而靈活的機器人編程框架，從軟件構(gòu)架的角度說，它是一種基于消息傳遞通信的分布式多進程框架。ROS本身是基于消息機制的，可以根據(jù)功能把軟件拆分成為各個模塊，每個模塊只是負責讀取和分發(fā)消息，模塊間通過消息關(guān)聯(lián)。
上周阿波君為大家詳細介紹了「進階課程? | Apollo ROS原理—4」。
主要講解五個比較基礎(chǔ)的方面：第一是ROS Services；第二是ROS Actions；第三是ROS Time；第四是ROS Bags；第五是調(diào)試工具。
本周阿波君將繼續(xù)與大家分享Apollo ROS的相關(guān)課程。下面，我們一起進入進階課程第36期。
目前ROS僅適用于Apollo 3.0之前的版本，最新代碼及功能還請參照Apollo 3.5及5.0版本。
目錄
1. ROS Packages
2. Eclipse下編譯ROS基本工程
3.通過hello world了解ROS基本的運行邏輯
4. ROS提供的日志系統(tǒng)
5. ROS提供的subscriber和publisher功能
6. ROS除了message的另外兩種通信方式
6.1 service
6.2 parameter
7.ROS的可視化工具RViz
本節(jié)內(nèi)容主要介紹ROS中一些不是特別常見的屬性。
1. ROS Packages
創(chuàng)建一個ROS開發(fā)環(huán)境和寫一個C++工程有點類似，通過catkin create可以創(chuàng)建一個簡單的工程。其中的文件組織方式如上圖所示，包括：
- SRC存放源文件；
- MSG存放節(jié)點之間進行通信的消息定義；
- SRV存放節(jié)點之間進行服務(wù)通信的時候的服務(wù)定義；
- CONFIG存放配置文件相關(guān)的信息；
- INCLUDE存放頭文件相關(guān)的信息；
- Launch存放節(jié)點啟動和它相關(guān)的節(jié)點之間的啟動文件。
上面介紹的package組織方式只是官方推薦的一種組織方式，使用catkin build編譯，當source完環(huán)境變量之后，通過Ros提供的命令比如ROS run或者ROS launch啟動時，package name可以自動補全，package里面包含的節(jié)點或者launch文件也是可以自動尋找，所以官方推薦使用這種組織方式。
DEVEL和BUILD這兩個目錄是build時自動產(chǎn)生的兩個臨時目錄。
此外，開發(fā)環(huán)境還有描述ROS Package相關(guān)工作區(qū)的兩個文件：Package.xml和Cmakelists.txt。
Package.xml定義了可執(zhí)行文件依賴的一些庫，包括編譯和運行時依賴庫，同時定義了軟件版本信息等常見的描述文件。
Cmakelists.txt定義了怎么編譯ROS工程的規(guī)則，主要定義了以下幾個部分：
下面是Cmakelists文件的一個例子。
從上到下依次指定了Cmake的版本、project的名字、ROS工程所依賴的c++的版本、另外是依賴的庫文件，最后生成可執(zhí)行文件以及這個文件所鏈接的依賴庫。
2. Eclipse下編譯ROS基本工程
工程建立好之后，catkin build可以直接對工程進行編譯。直接用 catkin build去編譯，會把整個工程目錄里面的所有的package進行統(tǒng)一編譯，如果是構(gòu)建一個比較復(fù)雜的系統(tǒng)，可能一個文件夾包含了很多節(jié)點或者package包，編譯時間會比較久，可以通過指定package名，編譯某一個固定的package包，提升編譯效率。
下面介紹在Eclipse下如何編譯ROS基本工程
首先是設(shè)置工作ROS工作區(qū)，然后將ROS package導(dǎo)入到Eclipse設(shè)置的工作區(qū)。
通過Eclipse提供的build或者run等功能去調(diào)試ROS工程。同時Eclipse里面提供的快捷鍵在編譯程序里面同樣適用。
3.通過hello world了解ROS基本的運行邏輯
上圖的hello world程序展現(xiàn)了ROS框架寫Node所使用的核心要素：
Include 就是include ROS的一個基本環(huán)境；
Main函數(shù)里面有三行需要重點注意：
- init：引入ROS的一個基本環(huán)境，指定節(jié)點使用的node名字和一些參數(shù)信息；
- NodeHandle：node和整個ROS框架進行通信所使用的一個句柄指針；
- 數(shù)據(jù)發(fā)送的頻率：looprate（10）以10赫茲發(fā)送消息。
最底下的while循環(huán)以10赫茲的消息頻率進行發(fā)送，同時進行計數(shù)。
Spinonce：有一幀消息就把這消息立馬發(fā)送出去，同時進行下一輪的消息等待。
4. ROS提供的日志系統(tǒng)
在示例程序里面有一個ROS_INFO，它就是ROS提供的日志系統(tǒng)；
ROS的日志系統(tǒng)是分級的，即在編寫節(jié)點程序的時候?qū)Υ蛴〉男畔⑦M行分級，對不同的分級，ROS會提供不同的顏色和格式進行展示。分級的作用是為了幫助開發(fā)者快速地定位到關(guān)鍵信息，不會對整個節(jié)點的邏輯產(chǎn)生實質(zhì)性的影響。
日志系統(tǒng)提供了兩種格式ROS_INFO與ROS_INFO_stream：
- ROS_INFO：默認把信息打印到當時運行的屏幕上。
- ROS_INFO_stream：它是流式數(shù)據(jù)，默認輸出到后臺這個節(jié)點所對應(yīng)的日志文件。
5. ROS提供的subscriber和publisher功能
Subscriber與Publisher有三點明顯的區(qū)別:
1、回調(diào)函數(shù)：subscriber作為信息的接收方有一個回調(diào)函數(shù)，回調(diào)函數(shù)定義了它接收到的每一幀信息如何使用；上圖listener回調(diào)函數(shù)比較簡單，它接收到信息后只是進行了打印處理。Publisher沒有回調(diào)函數(shù)，它不需要對消息進行處理。
2、聲明的時候：subscriber把回調(diào)函數(shù)傳入到對應(yīng)的node初始化程序里面。publisher聲明的時候只需要注冊要往哪一個topic上去發(fā)信息，同時還設(shè)置隊列長度。
3、Rosspin：在ROS構(gòu)架里所有的回調(diào)函數(shù)都不是主動觸發(fā)的。Rosspin是阻塞性的，聲明Rosspin之后，就阻塞在此，程序不會退出，它會一直監(jiān)聽自己對應(yīng)的隊列里面是否有新消息的到達，若有新消息到達就會觸發(fā)回調(diào)函數(shù)處理。
如果Subscriber的主程序里除了訂閱消息之外還有其他的功能則可以采用rosspin once，對所有已達消息進行回調(diào)函數(shù)的處理。同時可以寫一個while循環(huán)，rosspin once按照一定的頻率去處理回調(diào)函數(shù)的消息。ROS提供Rosspin這兩種方式，就是為了滿足這兩種場景。第一種是阻塞，只有一個回調(diào)函數(shù)進行處理，第二種是訂閱回調(diào)函數(shù)消息以外，他還進行了一些封裝和處置。
看似很復(fù)雜的自動駕駛，節(jié)點整體寫下來都是比較簡單的，就是按照上圖Subscriber與Publisher方式來寫。但是在實際的自動駕駛系統(tǒng)里面，所有的模塊都不是簡單的一個角色，它可能既是消息的訂閱者也是消息的發(fā)送者，是一個復(fù)雜交互的功能，甚至是用到很多數(shù)據(jù)融合或者是消息對齊。
6. ROS除了message的另外兩種通信方式
ROS節(jié)點之間的通信除了基于message消息訂閱和發(fā)布模型之外還有另外兩種方式，雖然另外兩種方式使用的比較少，但是在某些特定的場合是比較有用的。
6.1 service
節(jié)點可以啟動service去注冊一項服務(wù)，另外一個節(jié)點在使用這項服務(wù)的時候可以直接call service完成一些實時的數(shù)據(jù)通訊交互。Message是一個被動的消息行為，發(fā)送者發(fā)送消息的時候并不知道消息會被誰去消費，接收者在接收消息的時候也不知道目前有幾個發(fā)送節(jié)點在發(fā)送，發(fā)送和接收之間是一個什么狀態(tài)也是不知道的，他們是一個松耦合和透明的關(guān)系。Service彌補了這種通信方式的不足，它需要及時回應(yīng)。Client向server去發(fā)送service請求的時候，需要實時等待一個response，根據(jù)響應(yīng)做出下一步的行為指示。
6.2 parameter
Parameter通信方式借鑒了service的原理。它啟動了Parameter service，Parameter service是一個全局的服務(wù)器，各個節(jié)點在進行參數(shù)設(shè)置和獲取的時候可以通過Parameter service的方式輕易完成。因為Parameter不像基于message消息通訊方式那么頻繁，一個參數(shù)在設(shè)置完成之后，在整個網(wǎng)絡(luò)拓撲運行期間所有的節(jié)點只需要在一個地方取此參數(shù)就行或者某個節(jié)點根據(jù)自己的運行狀態(tài)去改變這個參數(shù)。
Parameter對應(yīng)有一套ROS所使用的基本命令行工具—rosparam。
rosparam其它工具相比，有兩個不同的地方：get和set。get是get某一個全局參數(shù)的值；set是設(shè)置某一個全局參數(shù)的值。
上圖展示的例子是通過node所提供的nodeHandler指針去調(diào)用它的getparam，得到某個參數(shù)的數(shù)值。當它進行一些運算之后，也可以通過setparam去設(shè)置參數(shù)的值。設(shè)置之后，整個系統(tǒng)參數(shù)服務(wù)器里面對應(yīng)的這個參數(shù)就會被設(shè)置成對應(yīng)的值，其他節(jié)點在得到這個值之后再作出相應(yīng)的處理。
7.ROS的可視化工具RViz
自動駕駛節(jié)點比較多，網(wǎng)絡(luò)拓撲也比較復(fù)雜，每個節(jié)點在進行消息通訊的時候有很多channel同時運行，如果只是通過命令行工具去查看節(jié)點的狀態(tài)和節(jié)點之間的拓撲，會很麻煩。ROS提供了一些比較好用的可視化工具立體化展示某一個拓撲結(jié)構(gòu)里面的拓撲網(wǎng)絡(luò)，RViz就是其中之一。
RViz在整個ROS生態(tài)里可以看成是一個節(jié)點，它定義了整個拓撲結(jié)構(gòu)里面所有的消息，然后按照固定的格式進行圖形化展示，同時提供很多debug相關(guān)的功能。因為RViz也是一個普通的節(jié)點，所以在啟動的時候可以通過rosrun命令的方式去啟動RViz相關(guān)的功能。
RViz也提供了很多插件可以放到諸如eclipse這樣的功能插件里面，在進行eclipse開發(fā)時可以通過eclipse的plugin去調(diào)取RViz的相關(guān)功能，進行可視化調(diào)試。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的Apollo进阶课程㊱丨Apollo ROS深入介绍的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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