一、ROS介绍

ROS是一个分布式的通信框架，帮助程序进程之间更方便地通信。也就是为了协调一个机器人中的多个部件，或者协调由多个机器人组成的机器人集群，能够让分散的部件实现互相通信。而每个部件都有配套的控制程序，来实现机器人的运动与视听功能等。ROS是一套通信框架而已，机器人中的各种算法和应用程序是用C++、Python等常见编程语言进行开发的。

二、ROS性能

ROS的特性：元操作系统、分布式通信机制、松耦合软件框架、丰富的开源功能库等。

（1）元操作系统

ROS是一个机器人领域的元操作系统，它并不是真正意义上的操作系统，其底层的任务调度、编译、设备驱动等还是由它的原生操作系统Ubuntu Linux完成。ROS实际上是运行在Ubuntu Linux上的亚操作系统（软件框架），但提供硬件抽象、函数调用、进程管理这些类似操作系统的功能，也提供用于获取、编译、跨平台的函数和工具。

（2）分布式通信机制

ROS的核心思想就是将机器人的软件功能做成一个个节点，节点之间通过互相发送消息进行沟通。这些节点可以部署在同一台主机上，也可以部署在不同主机上，甚至还可以部署在互联网上。ROS网络通信机制中的主节点（master）负责对网络中各个节点之间的通信过程进行管理调度，同时提供一个用于配置网络中全局参数的服务。

（3）松耦合软件框架

ROS是松耦合软件框架，利用分布式通信机制实现节点间的进程通信。ROS的软件代码以松耦合方式组织，开发过程灵活，管理维护方便。

（4）丰富的开源功能库

ROS具有丰富的开源功能库。ROS是基于BSD（Berkeley Software Distribution，伯克利软件发行）协议的开源软件，允许任何人修改、重用、重发布以及在商业和闭源产品中使用，使用ROS能够快捷地搭建自己的机器人原型。

三、ROS学习资源

官网：www.ros.org

源码：github.com

Wiki：wiki.ros.org

问答：answers.ros.org

四、ROS系统架构

a、计算图视角

节点之间通过消息机制进行通信，这样就组成了一张网状图，也叫计算图，计算图中的节点、话题、服务、动作都要有唯一名称作为标识。

图1 ROS的计算图结构

图1中各节点之间的通信方式

（1）话题通信：节点2与节点3、节点2与节点5、节点4与节点5

（2）服务通信：节点2与节点4

（3）动作通信：节点1与节点2

1、消息

消息是构成计算图的关键，包括消息机制和消息类型两部分。消息机制有话题、服务和动作三种，每种消息机制中传递的数据都具有特定的数据类型（即消息类型），消息类型可分为话题消息类型、服务消息类型和动作消息类型。

2、数据包

ROS中专门用来保存和回放话题中数据的文件，可以将一些难以收集的传感器数据用数据包录制下来，然后反复回放来进行算法性能调试。

• 数据包（bag）的本质是一个记录器。它像录音笔一样，把ROS系统中正在运行的各个话题（topic）的数据（如图像、雷达扫描数据）实时录制下来，存成一个文件。

• 当需要使用这些数据时，过程就像播放器按下播放键。ROS工具（如 rosbag play）会严格按照录制时的时间戳，将数据重新“播放”到ROS系统中，就像这些数据是传感器正在实时发出的一样。

3、参数服务器

为整个ROS网络中的节点提供便于修改的参数。参数可以认为是节点中可供外部修改的全局变量，有静态参数和动态参数。静态参数一般用于在节点启动时设置节点工作模式；动态参数可以用于在节点运行时动态配置节点或改变节点工作状态，比如电机控制节点里的PID控制参数。

4、节点

基本定义

• 核心单元： 节点（Node）是ROS中可执行程序的基本单位。

• 本质形态： 节点就是一个正在运行的可执行程序，在系统层面通常被称为进程。

产生方式

• 创建与启动： 在ROS功能包中创建的每个可执行程序，当被启动并加载到系统内存中运行时，它就成为了一个ROS节点。

通信机制

• 核心活动： 节点之间通过收发消息进行通信和协作。

• 通信方式： 消息的收发机制主要分为三种类型：话题（Topic）、服务（Service）、动作（Action）

设计哲学

• 设计目标： ROS利用节点将代码和功能进行解耦，从而提高了整个系统的容错性和可维护性。

• 最佳实践： 在设计节点时，最好让每个节点都具有特定的单一功能，而不是创建一个包罗万象、功能复杂庞大的单一节点。

编程实现

• C++实现： 如果需要用C++语言编写节点，需要用到ROS提供的roscpp库。

• Python实现： 如果需要用Python语言编写节点，需要用到ROS提供的rospy库。

5、主节点

负责各个节点之间通信过程的调度管理。因此主节点必须要最先启动，可以通过roscore命令启动。

6、话题

ROS中最常用、最基本的通信方式，它实现了异步通信。

• 通信模式： 发布/订阅（Publisher/Subscriber）。

• 通信特点：

  • 单向与异步： 发送方（发布者，Publisher）只管往话题里“扔”数据，不需要等待接收方（订阅者，Subscriber）的回应。接收方也只管接收数据，不向发送方返回信息。

  • N对N通信： 可以有多个发布者向同一个话题发布数据，同时也可以有多个订阅者从同一个话题接收数据。

• 数据格式： 所有在话题上传输的数据都必须有预定义的消息类型（.msg 文件），例如 std_msgs/String、sensor_msgs/LaserScan。

7、服务

用于处理一次性的、同步的计算任务，它实现了双向通信。

• 通信模式： 请求/响应（Request/Reply）。

• 通信特点：

  • 同步与阻塞： 客户端（Client）发送请求后会等待，直到服务器（Server）处理完请求并返回响应后，客户端才继续执行后续代码。

  • 一对一： 一个服务通常由一个服务器提供，可以被多个客户端请求，但每个请求的处理过程是独立的。

• 数据格式： 必须使用预定义的服务类型（.srv 文件）。一个.srv文件包含两部分：请求（Request）的结构和响应（Response）的结构。

8、动作

服务的增强版，专门用于处理耗时较长、需要周期性反馈且可被抢占（取消）的任务。

• 通信模式： 目标/结果/反馈（Goal/Result/Feedback）。

• 通信特点：

  • 异步但带反馈： 客户端发送目标后，可以继续执行自己的任务，不必阻塞等待。服务器在处理过程中会不断发送反馈信息，并在任务完成时发送最终结果。

  • 可抢占： 客户端可以在任务执行过程中发送指令取消任务。

  • 状态监控： 可以监控任务的状态（例如：是否正在执行、是否被取消、是否成功）。

• 数据格式： 必须使用预定义的动作类型（.action 文件）。它定义了三个部分：目标（Goal）、反馈（Feedback）和结果（Result）。

a、文件系统视角

1、工作空间

一个包含功能包、编译包和编译后可执行文件的文件夹。用户可以根据自己的需要创建多个工作空间，在每个工作空间中开发不同用途的功能包。

图2 ROS的文件系统结构

在图2中，我们创建了一个名为catkin_ws的工作空间，其中包含src、build和devel三个文件夹。

（1）src文件夹：放置各个功能包和配置功能包的CMake配置文件CMakeLists.txt。这里说明一下，由于ROS中的源码采用catkin工具进行编译，而catkin工具又基于CMake技术，所以我们在src源文件空间和各个功能包中都会见到一个CMake配置文件CMakeLists.txt，这个文件起到配置编译的作用。

（2）build文件夹：放置编译CMake和catkin功能包时产生的缓存、配置、中间文件等。

（3）devel文件夹：放置编译好的可执行程序，这些可执行程序是不需要安装就能直接运行的。一旦功能包源码编译和测试通过后，可以将这些编译好的可执行文件直接导出与其他开发人员分享。

2、功能包

ROS中软件组织的基本形式，具有创建ROS程序的最小结构和最少内容，它包含ROS节点源码、脚本、配置文件等。

（1）CMakeLists.txt文件：功能包配置文件，用于编译Cmake功能包编译时的编译配置。

 （2）package.xml文件：功能包清单文件，用xml的标签格式标记该功能包的各类相关信息，比如包的名称、开发者信息、依赖关系等，主要是为了使功能包的安装和分发更容易。

 （3）include/<pkg_name>目录：功能包头文件目录，可以把功能包程序中包含的*.h头文件放在这里。include目录之所以还要加一级路径<pkg_name>是为了更好地区分自己定义的头文件和系统标准头文件，<pkg_name>用实际功能包的名称替代。不过这个文件夹不是必要项，比如有些程序没有头文件。

（4）msg目录：存放非标准话题消息的定义文件。

（5）srv目录：存放非标准服务消息的定义文件。

（6）action目录：存放非标准动作消息的定义文件。

ROS支持用户自定义消息通信过程中使用的消息类型。msg、srv、action中的自定义消息不是必要的，比如程序只使用标准消息类型。

（7）scripts目录：存放Bash、Python等脚本文件，为非必要项。

（8）launch目录：存放节点的启动文件，*.launch文件用于启动一个或多个节点，在含有多个节点的大型项目中很有用，为非必要项。

（9）src目录：存放功能包节点所对应的源代码，一个功能包中可以有多个节点程序来完成不同的功能，每个节点程序都可以单独运行。这里src目录存放的是这些节点程序的源代码，你可以按需创建文件夹和文件来组织源代码，源代码可以用C++、Python等编写。

c、开源社区视角

图3 ROS的开源社区结构

图3展示了 ROS（Robot Operating System，机器人操作系统） 的文件系统组织结构，从宏观到微观清晰地划分了不同层级的概念。图中用不同颜色的方块和包含关系，说明了 repository（仓库）、meta package（元包）和 package（功能包）之间的关系。

1. 核心层级关系

图中有三个主要层级：Repository（仓库）、Meta Package（元包）、Package（功能包）。

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2. 详细解读

第一层：Repository（仓库）

• 解析：

  • 这是代码托管层面的概念（如 GitHub、GitLab 上的仓库）。

  • 一个 Repository 是一个版本控制单元，包含了特定的代码和文件。

  • 一个 Repository 可以只包含一个简单的 Package，也可以包含多个 Packages，甚至包含一个 Meta Package（如图中最左侧的灰色框所示，它包含了蓝色的 Meta Package 和两个绿色的 Package）。

  • 作用： 方便开发者进行版本管理和分发。

第二层：Meta Package（元包）

• 解析：

  • 元包是一种特殊的功能包。

  • 它本身不包含任何实质性代码（如 C++ 源文件、Python 脚本），也不包含数据。

  • 它的核心作用是指向一组相关的功能包。图中它指向了它下方的两个绿色 Package。

  • 作用： 就像一个“目录”或“分组工具”。当你想安装某个完整的大型功能（如导航）时，只需安装对应的元包，它就会自动把相关的所有依赖包（例如路径规划、定位、地图处理等 Package）一起拉取下来。

第三层：Package（功能包）

• 解析：

  • 这是 ROS 软件组织的最小单元和构建单元。任何一个 ROS 程序（无论是节点、配置文件还是启动文件）都必须组织成 Package 的形式。

  • 一个 Package 通常包含：package.xml（清单文件）、CMakeLists.txt（编译规则）、代码、启动文件、消息/服务定义等。

  • 作用： 实现具体的机器人功能，如驱动摄像头、处理激光雷达数据、运行 SLAM 算法等。

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3. 组合关系分析

• 包含关系：

  • 一个 Repository 可以包含多个 Packages。

  • 一个 Repository 也可以包含一个 Meta Package，而这个 Meta Package 又包含多个 Packages。

• 横向对比：

  • 有些仓库结构简单，直接装了几个平级的 Package。

  • 有些仓库结构复杂，通过 Meta Package 对内部的 Package 进行了逻辑分组。

4.ROS 文件系统的逻辑结构：

• 物理存储/版本控制看 Repository（仓库）。

• 逻辑分组/依赖管理看 Meta Package（元包）。

• 实际功能/代码实现看 Package（功能包）。

这种分层设计使得 ROS 在管理大型复杂机器人项目（包含成百上千个功能包）时，依然能保持良好的组织性和可维护性。