项目六任务1：ROS操作系统概述

主讲老师：汪俊东ROS操作系统概述项目六：智慧驾驶场景下的线控底盘综合应用任务6.1《智能汽车线控底盘装调与测试》目录任务导入AssignmentINTRO学习目标LearningobjectivesCONTENTS0102知识准备Backgroundknowledge03课堂小测Classroomquiz课堂总结Backgroundknowledge0405PART01任务导入Taskimport任务导入ROS机器人操作系统是一个灵活的框架，通过ROS系统，开发人员可以快速构建各种类型的机器人应用程序，实现机器人的感知、规划、控制等功能。在本次任务中，我们将深入了解ROS操作系统的定义、通信机制、常用组件以及ROS的运行管理。通过本次任务，我们将逐步揭开ROS操作系统的神秘面纱，探索其在机器人领域的应用与潜力。PART02学习目标Learningobjective学习目标素质目标通过对ROS操作系统的了解，激发学生对科技创新的渴望；学习理论部分知识，培养学生新技术的能力。

能力目标能掌握节点运行管理launch文件的基本操作方法[A76]；能掌握ROS常用组件的基本操作方法[A77]。知识目标理解ROS操作系统的定义[K83]；熟悉并理解ROS通信机制[K84]。思政专栏科技创新能带给民族和国家强大的力量和民族自豪感。为提升国产通用飞机节能、减排、降噪性能，全面提升航空绿色制造水平.…1月3日，由中国航空工业集团通用飞机有限责任公司自主研制的AG60E电动飞机在浙江建德千岛湖通用机场圆满完成首次飞行。AG60E是一型单发上单翼轻型运动飞机，并排双座，全金属结构，主要面向航空俱乐部、通航公司、私人用户等，用于飞行体验、基本飞行培训和私人娱乐飞行。飞机机长6.9米、高2.6米、翼展8.6米，最大起飞重量600千克、最大平飞速度220千米每小时、最大巡航速度185千米每小时，AG60E电动飞机2024中国科技创新开年捷报思政专栏1月5日19时20分，我国在酒泉卫星发射中心使用快舟一号甲运载火箭，成功将天目一号气象星座15-18星发射升空，卫星顺利进入预定轨道，发射任务获得圆满成功，这是中国航天2024年首次发射。迄今为止人类已进行的10次月球采样返回均位于月球正面，月球背面整体相对月球正面更为古老，且存在月球三大地体之一的艾特肯盆地，具有重要科研价值。为顺利完成月球背面航天器与地球间的通信，我国新研制的鹊桥二号中继通信卫星计划2024年上半年发射。快舟一号运载火箭2024中国科技创新开年捷报PART03知识准备Knowledgepreparation

ROS基本概念ROS是RobotOperatingSystem的缩写，通常称为“机器人操作系统”。适用于机器人的开源的元操作系统。它提供了操作系统应有的服务，包括硬件抽象、底层设备控制、常用函数的实现、进程间消息传递以及包管理。它也提供用于获取、编译、编写和跨计算机运行代码所需的工具和库函数。它的目的是为了提高机器人研发中的软件复用率，简化跨机器人平台创建复杂、鲁棒的机器人行为这一过程的难度与复杂度。一、ROS操作系统定义ROS操作系统架构ROS操作系统架构总共分为三层，OS层、中间层以及应用层OS层：OS层，即为经典意义的操作系统。ROS并非像Windows、Linux等传统意义上的操作系统，无法直接运行在计算机硬件上，对于ROS的OS层，我们需要依托官方推荐的Linux的Ubuntu系统来运行一、ROS操作系统定义ROS操作系统架构中间层：ROS经常运行在Linux操作系统上，但Linux系统本身没有针对机器人开发的中间件，因此ROS在中间层做了大量工作。首先是基于TCP/UDP网络，并在此之上进一步封装而构建的TCPROS/UDPROS通信系统。另外ROS还提供了一种进程内的通信方式—Nodelet，为多进程通信提供了一种更为优化的数据传输方式。在通信机制之上，ROS提供了大量的机器人开发的库，以提供给应用层调用。一、ROS操作系统定义ROS操作系统架构应用层：为了保证整个ROS系统的正常运行，ROS需要在应用层运行一个管理者，即Master。Master负责管理整个系统正常运行，为节点间建立连接。一、ROS操作系统定义ROS通信机制简介机器人是一种高度复杂的系统性实现，在机器人上可能集成各种传感器(雷达、摄像头、GPS等)以及运动控制实现，为了解耦合，在ROS中每一个功能点都是一个单独的进程，每一个进程都是独立运行的。更确切的讲，ROS是进程（也称为Nodes）的分布式框架。因为这些进程甚至还可分布于不同主机，不同主机协同工作，从而分散计算压力。不过随之也有一个问题:不同的进程是如何通信的？不同进程间如何实现数据交换的？这里就涉及到ROS中的通信机制了。ROS中的基本通信机制主要有如下三种实现策略：话题通信、服务通信、参数服务器二、ROS通信机制简介话题通信机制话题在ROS中使用最为频繁，其通信模型也较为复杂。在ROS中有两个节点：一个是发布者Talker，另一个是订阅着Listener。两个节点分别发布、订阅同一个话题，启动顺序没有强制要求，此处假设Talker首先启动，可分为如下七步分析建立通信的详细过程。二、ROS通信机制简介话题通信机制二、ROS通信机制简介Talker注册：Talker启动，通过1234端口使用RPC向ROSMaster注册发布者的信息，包含所发布消息的话题名;ROSMaster会将节点的注册信息加入注册列表中。Listener注册：Listener启动，同样通过RPC向ROSMaster注册订阅者的信息，包含需要订阅的话题名。话题通信机制二、ROS通信机制简介ROSMaster进行信息匹配：Master根据Listener的订阅信息从注册列表中进行查找，如果没有找到匹配的发布者，则等待发布者的加入：如果找到匹配的发布者信息，则通过RPC向Listener发送Talker的RPC地址信息。Listener发送连接请求：Listener接收到Master发回的Talker地址信息，尝试通过RPC向Talker发送连接请求，传输订阅的话题名、消息类型以及通信协议（TCP/UDP）话题通信机制二、ROS通信机制简介Talker确认连接请求：Talker接收到Listener发送的连接请求后，继续通过RPC向Listener确认连接信息，其中包含自身的TCP地址信息。Listener尝试与Talker建立网络连接：Listener接收到确认信息后，使用TCP尝试与Talker建立网络连接。话题通信机制二、ROS通信机制简介Talker向Listener发布数据：成功建立连接后，Talker开始向Listener发送话题消息数据。从上面的分析中可以发现，前五个步骤使用的通信协议都是RPC，最后发布数据的过程才使用到TCP。ROSMaster在节点建立连接的过程中起到了重要作用，但是并不参与节点之间最终的数据传输。服务通信机制二、ROS通信机制简介服务是一种带有应答的通信机制，与话题的通信相比，其减少了Listener与Talker之间的RPC通信服务通信机制二、ROS通信机制简介Talker注册：Talker启动，通过1234端口使用RPC向ROSMaster注册发布者的信息，包含所提供的服务名;ROSMaster会将节点的注册信息加入注册列表中。Listener注册：Listener启动，同样通过RPC向ROSMaster注册订阅者的信息，包含需要订阅的服务名。服务通信机制二、ROS通信机制简介Talker注册：Talker启动，通过1234端口使用RPC向ROSMaster注册发布者的信息，包含所提供的服务名;ROSMaster会将节点的注册信息加入注册列表中。Listener注册：Listener启动，同样通过RPC向ROSMaster注册订阅者的信息，包含需要订阅的服务名。服务通信机制二、ROS通信机制简介ROSMaster进行信息匹配：Master根据Listener的订阅信息从注册列表中进行查找，如果没有找到匹配的服务提供者，则等待该服务的提供者加入：如果找到匹配的服务提供者信息，则通过RPC向Listener发送Talker的TCP地址信息。服务通信机制二、ROS通信机制简介Listener与Talker建立网络连接：Listener接收到确认信息后，使用TCP尝试与Talker建立网络连接，并且发送服务的请求数据。Talker向Listener发布服务应答数据：Talker接收到服务请求和参数后，开始执行服务功能，执行完成后，向Listener发送应答数据。参数服务器二、ROS通信机制简介参数类似于ROS中的全局变量，由ROSMaster进行管理，其通信机制较为简单，不涉及TCP/UDP的通信。参数服务器二、ROS通信机制简介Talker设置变量：Talker使用RPC向ROSMaster发送参数设置数据，包含参数名和参数值;ROSMaster会将参数名和参数值；Listener查询参数值：Listener通过RPC向ROSMaster发送参数查找请求，包含所要查找的参数名；ROSMaster向Listener发送参数值：Master根据Listener的查找请求从参数列表中进行查找，查找到参数后，使用RPC将参数值发送给Listener。ROS元功能包三、ROS运行管理完成ROS中一个系统性的功能，可能涉及到多个功能包，比如实现了机器人导航模块，该模块下有地图、定位、路径规划...等不同的子级功能包。那么调用者安装该模块时，需要逐一的安装每一个功能包吗？显而易见的，逐一安装功能包的效率低下，在ROS中，提供了一种方式可以将不同的功能包打包成一个功能包，当安装某个功能模块时，直接调用打包后的功能包即可，该包又称之为元功能包(metapackage)。ROS元功能包三、ROS运行管理（1）元功能包概念元功能包MetaPackage是Linux的一个文件管理系统的概念。是ROS中的一个虚包，里面没有实质性的内容，但是它依赖了其他的软件包，通过这种方法可以把其他包组合起来，我们可以认为它是一本书的目录索引，告诉我们这个包集合中有哪些子包，并且该去哪里下载。ROS元功能包三、ROS运行管理（2）实现首先新建一个功能包，然后修改package.xml，内容如下：<exec_depend>被集成的功能包</exec_depend>…..<export><metapackage/></export>ROS元功能包三、ROS运行管理（2）实现最后修改CMakeLists.txt，内容如下：cmake_minimum_required(VERSION3.0.2)project(demo)find_package(catkinREQUIRED)catkin_metapackage()ROS节点运行管理launch文件三、ROS运行管理（1）launch文件概念launch文件是一个XML格式的文件，可以启动本地和远程的多个节点，还可以在参数服务器中设置参数。起到简化节点的配置与启动，提高ROS程序的启动效率的作用。launch文件是通过roslaunch功能包运行的，命令行格式如下：$roslaunchpackage_namefile.launchROS节点运行管理launch文件三、ROS运行管理（2）launch标签<launch>标签是所有launch文件的根标签，充当其他标签的容器。1）属性deprecated="弃用声明"：告知用户当前launch文件已经弃用。2）子级标签所有其它标签都是launch的子级。ROS节点运行管理launch文件三、ROS运行管理（3）node标签<node>标签用于指定ROS节点，是最常见的标签，需要注意的是:roslaunch命令不能保证按照node的声明顺序来启动节点(节点的启动是多进程的)。1）属性表属性说明pkg=“包名”节点所属的包type=“nodeType”节点类型（与之相同名称的可执行文件）name=“nodeName”节点名称（在ROS网络拓扑中节点的名称）args=“xxxxxxxxx”（可选）将参数传递给节点machine=“机器名”在指定机器上启动节点ROS节点运行管理launch文件三、ROS运行管理续上表2）子级标签env环境变量设置；remap重映射节点名称；rosparam参数设置；param参数设置。respawn=“true|false”（可选）如果节点退出，是否自动重启respawan=_delay=“N”（可选）如果respawn为true，那么延迟N秒后启动节点required=“true|false”（可选）该节点是否必须，如果为true，那么结果该节点退出，将杀死整个roslaunchns=“xxx”（可选）在指定命名空间xxx中启动节点clear_params=“true|false”（可选）在启动前，删除节点的私有空间的所有参数output=“log|screen”（可选）日志发送目标，可以设置为log日志文件，或screen屏幕，默认是logROS节点运行管理launch文件三、ROS运行管理（4）include标签include标签用于将另一个xml格式的launch文件导入到当前文件。

1）属性表属性说明file=“$（find包名）/xxx/xxx.launch”要包含的文件路径ns=“xxx”（可选）在指定命名空间导入文件ROS节点运行管理launch文件三、ROS运行管理（4）include标签include标签用于将另一个xml格式的launch文件导入到当前文件。

1）属性表如下2）子级标签env环境变量设置。arg将参数传递给被包含的文件。属性说明file=“$（find包名）/xxx/xxx.launch”要包含的文件路径ns=“xxx”（可选）在指定命名空间导入文件ROS节点运行管理launch文件三、ROS运行管理（5）remap标签remap标签用于话题重命名。

属性表属性说明from=“xxx”原始话题名称to=“yyy”（可选）目标名称ROS节点运行管理launch文件三、ROS运行管理（6）param标签<param>标签主要用于在参数服务器上设置参数，参数源可以在标签中通过value指定，也可以通过外部文件加载，在<node>标签中时，相当于私有命名空间。

属性说明name=“命名空间/参数名”参数名称，可以包含命名空间value=“xxx”（可选）定义参数值，如果此处省略，必须指定外部文件作为参数源。type=“str|int|double|bool|yaml”（可选）指定参数类型，如果未指定，roslaunch会尝试确定参数类型，规则如下：①如果包含‘.’的数字解析为浮点型，否则为整型②“true”和“false”是bool值（不区分大小写）③其他事字符串ROS节点运行管理launch文件三、ROS运行管理（7）rosparam标签<rosparam>标签可以从YAML文件导入参数，或将参数导出到YAML文件，也可以用来删除参数，<rosparam>标签在<node>标签中时被视为私有。

属性说明command=“loda|dump|delete”（可选，默认load）加载、导出或删除参数file=“$(findxxxxx)/xxx/yyy….”加载或导出到的yaml文件param=“参数名称”ns=“命名空间”（可选）ROS节点运行管理launch文件三、ROS运行管理（8）group标签<group>标签可以对节点分组，具有ns属性，可以让节点归属某个命名空间。

属性表属性说明ns=“名称空间”（可选）clear_params=“true|false”（可选）启动前，是否删除组名臣空间的所有参数（慎用….此功能危险）ROS节点运行管理launch文件三、ROS运行管理（9）arg标签<arg>标签是用于动态传参，类似于函数的参数，可以增强launch文件的灵活性。1）属性name="参数名称"；default="默认值"(可选)；value="数值"(可选)：不可以与default并存；doc="描述"：参数说明。ROS节点运行管理launch文件三、ROS运行管理（9）arg标签2）示例Launch文件传参语法实现，hello.lcaunch。命令行调用launch传参。TF坐标变换四、ROS常用组件TF(TransFormFrame)，就是坐标变换，包括了位置和姿态两个方面的变换，在ROS中用于实现不同坐标系之间的点或向量的转换。ROS中是通过坐标系来标定物体的，确切的是通过右手坐标系来标定的。注意区分坐标转换和坐标系转换。坐标转换是一个坐标在不同坐标系下的表示，而坐标系转换是不同坐标系的相对位姿关系。TF工具四、ROS常用组件坐标系统虽然是一个基础理论，但是由于涉及多个空间之间的变换，不容易进行想象，所以TF提供了丰富的终端工具来帮助开发者调试和创建TF变换。（1）tf_monitor：Tf_monitor工具的功能是将当前的坐标系转换关系打印到终端控制台；（2）tf_echo：tf_echo工具的功能是查看指定坐标系之间的变换关系；（3）static_transform_publisher：tf_transform_publisher工具的功能是发布两个坐标系之间的静态坐标变换，这两个坐标系不发生相对位置变化。TF工具四、ROS常用组件（4）view_framesview_frames是可视化的调试工具，可以生成pdf文件，显示整棵TF树的信息。（5）rvizrviz是一种可视化工具，可以借助rviz显示坐标系关系，具体操作：1）新建窗口输入命令：rviz；2）在启动的rviz中设置FixedFrame为base_link；3）点击左下的add按钮，在弹出的窗口中选择TF组件，即可显示坐标关系。坐标msg消息四、ROS常用组件订阅发布模型中数据载体msg是一个重要实现，在坐标变换中，需要使用坐标系的相对关系（geometry_msgs/TransformStamped）以及坐标点信息（geometry_msgs/PointStamped）。前者用于传输