机器人操作系统ROS(二)-文件系统架构及概念
大家好，关于机器人操作系统ROS的安装，很多文章都写的非常详细，我也在这些材料的帮助下，在VMware上安装了Ubuntu14.04以及对应的ROS Indigo，详情见Ubuntu14.04安装和配置ROS Indigo。但是，着重强调一点，不同的Ubuntu系统版本对应不同的ROS版本，因此安装中的命令语句有差异，请大家务必先明确自己的开发环境。接下来，就开始ROS的学习之路！
ROS入门，非常推荐通过官网ROS Tutorials或者ROS中文网站学习（更加推荐英文网站）的初级教程(Beginner Level)学习。有一些ROS书籍，其实里面很多内容是对官网的翻译，但是这些书籍可能的局限性是：1）ROS版本问题；2）编程语言，有的书只提供C++代码，有些只提供Python。但是在官网，Python和C++版本的tutorials均有，选择性更强。
本文主要是了解ROS的内部构成、文件夹结构以及工作所需的核心文件。
ROS系统的架构主要被设计和划分为三部分，每一部分代表一个层级的概念：文件系统级(The filesystem level)、计算图级(The computation graph level)、开源社区级(The community level)
一、ROS文件系统级
图1
如图1所示：
功能包-功能包是ROS中软件组织的基本形式。一个功能包具有用于创建ROS程序的最小结构和最少内容。它可以包含ROS运行的进程（节点）、配置文件等；
功能包清单-功能包清单提供关于功能包、许可信息、依赖关系、编译标志等的信息。一个包的清单有一个名为package.xml的文件管理；
综合功能包-将几个具有某些功能的功能包组织在一起，就获得了一个综合功能包(Stack)。
二、ROS计算图级
图2
ROS会创建一个连接到所有进程的网络。在系统中的任何节点都可以访问此网络，并通过该网络与其他节点交互，获取其他节点发布的信息，并且将自身数据发布到网络上。如图2所示：
节点-节点是主要的计算执行进程；
节点管理器-节点管理器用于节点的名称注册、查找、设置节点间通信等；
参数服务器-参数服务器能够使数据通过一个关键词存储在一个系统的核心位置；
消息-消息是节点之间沟通的一种方式；
主题-每个消息都必须有一个名称来被ROS网络路由。每一条消息都要发布到相应的主题。当一个节点发送数据时，我们就说该节点正在向主题发布消息。节点可以通过订阅某个主题，接受来自其他节点的消息。一个节点可以订阅一个主题，而不需要该节点同时发布该主题。这就保证了消息的发布者和订阅者间解耦。主题的名称是独一无二的，否则在同名主题之间的消息路由就会发生错误。
服务-如果需要直接与某个节点进行交互request/response，此时不能通过Topic，而需要服务。服务必须有唯一的名称，当一个节点提供某个服务时，所有的几点都可以通过使用ROS客户端边写的代码与它通信。
消息记录包-消息记录包是一种用于保存和回放ROS消息数据的文件格式。消息记录包是一种用于存储数据的主要机制，它能够获取并记录各种难以收集的传感器数据。可以通过消息记录包反复获取实验数据，进行必要的开发和算法测试。
三、官网初级文档-文件系统架构学习(我的ros版本是indigo)
1、创建工作空间（工作空间可以简单理解为一个项目文件夹）
1）查看ROS正在使用的工作空间
echo $ROS_PACKAGE_PATH
显示：/opt/ros/indigo/share:/opt/ros/indigo/stacks
2）创建工作空间
$ mkdir -p ~/softdemo/catkin_ws/src #mkdir->在当前目录下创建子目录
$ cd ~/softdemo/catkin_ws/src
$ catkin_init_workspace
3）编译工作空间
$ cd ~/softdemo/catkin_ws/
$ catkin_make #编译必须在catkin_ws文件夹下，如果在任何src文件夹下的功能包编译，都会 报错
4）完成配置
$ source devel/setup.bash
至此，文件结构如下：
~softdemo->catkin_ws->build devel src
2、创建ROS功能包和综合功能包
$ cd ~/catkin_ws/src
创建功能包beginner_tutorials，并且建立依赖，可以是rospy（基于Python）或者roscpp（基于C++）(Now use the catkin_create_pkg script to create a new package called 'beginner_tutorials' which depends on std_msgs, roscpp, and rospy:)
$ catkin_create_pkg beginner_tutorials std_msgs rospy roscpp
3、编译ROS功能包(主要是代码编译)
$ cd ~/catkin_ws/
$ catkin_make
备注：必须在工作空间文件夹(catkin_ws)运行catkin_make，否则报错
4、ROS节点
使用某个节点时，只需要写出包名和节点名字就可以调用节点，不需要写路径
$ rosrun [package_name] [node_name]
修改节点的名字可以直接在命令行进行(同时可以运行该几点做其他任务)：
$ rosrun turtlesim turtlesim_node __name:=my_turtle
展示当前运行的节点：
$ rosnode list
5、ROS Topic使用
举例：调用小乌龟节点，然后点击键盘，使得乌龟根据键盘上下左右按键来运动
1）调用小乌龟节点，弹出如图3所示的界面（turtlesim是功能包）
$ rosrun turtlesim turtlesim_node
图3
2)在新的终端，调用键盘遥操作(keyboard teleoperation)节点，小乌龟动起来了，如图4
$ rosrun turtlesim turtle_teleop_key
图4
3）之所以上面的小乌龟能够响应键盘键，出现图4的运动轨迹，就是因为节点turtlesim_node和turtle_teleop_key通过topic进行了通信(turtle_teleop_key is publishing the key strokes on a topic, while turtlesim subscribes to the same topic to receive the key strokes)
4)为了展示它们间的关系，调用rqt_graph，结果见图5
$ rosrun rqt_graph rqt_graph
图5
图5表明当前topic名称是：/turtle1/cmd_vel
5）基于rostopic tool 可以从ROS Topics获取信息
$ rostopic -h
rostopic bw display bandwidth used by topic
rostopic echo print messages to screen
rostopic hz display publishing rate of topic
rostopic list print information about active topics
rostopic pub publish data to topic
rostopic type print topic type
比如：$ rostopic echo /turtle1/cmd_vel
6、ROS Message
ROS Topic通信是通过节点间发送message来实现的，ROS里面要求节点间发送message的类型必须一致(Communication on topics happens by sending ROS messages between nodes. For the publisher (turtle_teleop_key) and subscriber (turtlesim_node) to communicate, the publisher and subscriber must send and receive the same type of message.)ROS里，通过rostopic type来决定message的type:$ rostopic type [topic]
比如上面提到的topic：/turtle1/cmd_vel，其对应的消息类型为：
$ rostopic type /turtle1/cmd_vel
结果为：geometry_msgs/Twist
进一步获取message的详细信息：
$ rosmsg show geometry_msgs/Twist
得到：
geometry_msgs/Vector3 linear
float64 x
float64 y
float64 z
geometry_msgs/Vector3 angular
float64 x
float64 y
float64 z
7、接下来基于以上内容，通过给节点turtlesim_node发信息，来控制其运动。
1）使用rostopic pub来发布当前topic的信息：rostopic pub [topic] [msg_type] [args]
$ rostopic pub -1 /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/Twist -- '[2.0, 0.0, 0.0]' '[0.0, 0.0, 1.8]'
以上命令结果见下图6
图6
2）该指令的作用下，发现小乌龟运动了一下就停止了。怎样让小乌龟一直运动下去，使用‘rostopic pub -r’指令
$ rostopic pub /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/Twist -r 1 -- '[2.0, 0.0, 0.0]' '[0.0, 0.0, -1.8]'
该语句仿真效果见下图，在实际中，小乌龟一直沿着这个圆圈运动，直到强制跳出该语句
图7
3）获取信息发布的频率：rostopic hz [topic]
$ rostopic hz /turtle1/pose
subscribed to [/turtle1/pose]
average rate: 59.354
min: 0.005s max: 0.027s std dev: 0.00284s window: 58
average rate: 59.459
min: 0.005s max: 0.027s std dev: 0.00271s window: 118
average rate: 59.539
min: 0.004s max: 0.030s std dev: 0.00339s window: 177
average rate: 59.492
min: 0.004s max: 0.030s std dev: 0.00380s window: 237
average rate: 59.463
min: 0.004s max: 0.030s std dev: 0.00380s window: 290
以上数据表明发布信息的频率是60Hz
8、ROS services
1）节点(node)之间通信的另一种方式就是通过ROS services。services允许节点间发request，收response。这一过程是通过rosservice模块来实现的
Topics上可以使用的语句包括：
rosservice list print information about active services
rosservice call call the service with the provided args
rosservice type print service type
rosservice find find services by service type
rosservice uri print service ROSRPC uri
2）通过rosparam可以获取或者处理ROS Parameter Server上的数据
rosparam set set parameter
rosparam get get parameter
rosparam load load parameters from file
rosparam dump dump parameters to file
rosparam delete delete parameter
rosparam list list parameter names
rosparam 使用 YAML markup language，文件的合适是.yaml，比如：$ rosparam dump params.yaml
9、ROS调试控制台和日志记录(rqt_console and rqt_logger_level)
rqt_console->显示节点的输出(rqt_console attaches to ROS's logging framework to display output from nodes)
rqt_logger_level->改变节点日志的冗长级别(rqt_logger_level allows us to change the verbosity level (DEBUG, WARN, INFO, and ERROR) of nodes as they run.)
相关命令：
$ rosrun rqt_console rqt_console #效果见图8
图8
$ rosrun rqt_logger_level rqt_logger_level #效果见图9
图9
‘rqt_logger_level->改变节点日志的冗长级别’这句话啥意思？感觉怪怪的
解释：实际上，运行时，如图9最右边日志列表所示，有以下级别：Fatal、Error、Warn、Info、Debug，级别依次降低。在运行‘$ rosrun rqt_logger_level rqt_logger_level’这句话后，会弹出一个管理界面，你可以选择你关注的诶之类别是那个level，比如你选择‘warn’，辣么，在console的管理界面就只会显示Warn日志以及它级别以上的日志，比如Fatal、Error，而不会显示‘Info、Debug’这些level的信息。同理，如果只选择Fatal，则只显示Fatal级别的信息
roslaunch可以将同一个launch file里的节点同时发布：$ roslaunch [package] [filename.launch]
11、ROS文档编辑-rosed
rosed可以仅仅根据包的名字和文档名字就编辑文档，而不需要写该文档的路径：$ rosed [package_name] [filename]
msg:ROS使用了一种简化的消息类型描述语言来描述ROS节点发布的数据值。通过这样的描述语言，ROS能够使用多种编程语言生成不同类型消息的源代码。ROS提供了很多预定义消息类型。如果你创建了一种新的消息类型，那么就要把消息的类型定义放到功能包的msg/文件夹下。在该文件夹下，有用于定义各种消息的文件。这些文件都以.msg为扩展名。消息类型必须具有两个主要部分：字段和常量。字段定义了要在消息中传输的数据类型，常量用与定义字段的名称。
ROS消息中的一种特殊数据类型是报文头，主要用于添加时间戳、坐标位置等。报文头还允许对消息进行编号。通过在报文头内部附加信息，可以知道是哪个节点发出的消息，或者可以添加一些能够被ROS处理的其他功能。
创建一个消息：
$ roscd beginner_tutorials
$ mkdir msg
$ echo "int64 num" > msg/Num.msg
srv:ROS使用了一种简化的服务描述语言来描述ROS服务器。这直接借鉴了ROS msg消息的数据格式，以实现节点之间的请求/响应通信。服务的描述存储在功能包的srv/子目录下.srv文件中。
创建一个服务：
$ roscd beginner_tutorials
$ mkdir srv
#这次我们不再手动创建服务，而是利用roscp从其他的package中复制一个服务。
$ roscp rospy_tutorials AddTwoInts.srv srv/AddTwoInts.srv
其实，因为建立msg和srv的时候，同时需要修改beginner_tutorials功能包下的package.xml和CMakeLists.txt两个文件，这部分修改配置的内容没有在此显示，有需要的请点击ROS消息和服务-msg和srv。
好的，ROS文件系统架构以及概念总结到这里，希望对大家有所帮助，再次强调，更加准确的ROS入门知识请直接查看官网ROS Tutorials。同时请大牛不吝赐教，非常感谢！
