智能网联汽车计算平台部署与测试 课件 5.6 ROS通信系统的构建

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计算平台部署与测试项目五ROS的安装与使用任务6ROS通信系统的构建目录01.任务描述02.任务目标03.任务准备04.知识准备05.任务实施06.评价反馈01.任务描述

基于ROS研发出一个无人驾驶小车，会存在节点A用于控制底盘轮子的转动，节点B用于驱动摄像头获取图形信息，节点C用于驱动激光雷达，节点D用于收集传感器信息进行路径规划等等，这样分布式排列节点能够尽可能避免处理复杂程序时发生崩溃的情况。往往在实际情况中，整体系统的功能多，运行节点数量也非常庞大，作为测试工程师，请你帮助助理工程师了解节点分布结构以及各节点之间如何通信。02.任务目标通过学习，希望同学们完成以下任务。了解ROS常用的通信机制。了解如何创建ROS通信节点。熟悉不同通信机制的操作命令。能够创建简单的ROS通信节点。能够正常启动创建的节点。获得多途径检索知识、分析解决问题以及多元化思考解决问题的方法，形成创新意识。具备良好的职业道德。具有良好的团队协作精神和较强的组织沟通能力。能够通过命令查询节点的相关信息。03.任务准备常规实训着装防护装备安装有ROS系统的计算机平台教学设备ROS教学工具04.知识准备（一）节点（node）

节点是指在ROS中运行的最小进程单元，可以把它看作一个可执行程序或一个小的功能模块。例如，自动驾驶车辆可能会把激光雷达定义为一个节点，深度摄像头是另一个节点，线控底盘也是一个节点。在ROS中，注重各个功能模块的复用，经常将较复杂的功能细分为多个节点，可以提升节点的可复用型，有利于提升编程效率。一、ROS常见术语（二）主节点（master）

主节点负责节点到节点的连接和消息通信，类似于节点管理器的作用。当节点运行时，需要向主节点注册自己的信息（节点名，发布/接收的话题名、服务名、消息类型等），通过主节点建立起节点间的访问和消息的传递。智慧猫的决策单元就充当了主节点的角色。（三）消息（msg）

节点之间通过消息来发送和接收数据，消息里包括消息的简单数据结构。使用消息的通信方法包括TCPROS、UDPROS等。每一条消息都要发布到相应的话题。例如，定义一个名为障碍物的消息类型，消息中包含的五个字段，分别是障碍物的长度、宽度、高度、运动线速度和运动角速度。（四）话题（topic）话题可以理解为是某一类消息的总称，发布者（publisher）和订阅者（subscriber）通过向主节点注册话题名，来建立相互之间的连接，通过TCPROS/UDPROS来实现具体消息的传递。话题是一种异步通信方式，一个话题可以有多个订阅者，发布者和订阅者之间是相互解耦的，发布者发布话题时不需要有订阅者，订阅者订阅话题时不需要有发布者。话题的名称在功能包里必须具有唯一性。

例如，自动驾驶车辆的摄像头、驱动系统和制动系统都被分别定义为单独的一个节点。摄像头节点发布一个检测路面是否出现行人的主题，频率为20Hz，摄像头此时就充当一个主题发布者的角色。再定义驱动系统和制动系统都去订阅这个检测路面行人的主题，那么这两个节点就充当该主题的订阅者。如果前方出现行人，驱动系统停止工作，制动系统则会同步制动车辆。（六）动作（action）

动作类似于服务，是一种基于请求—响应的双向通信方式。但是，它增加了中途反馈，因此适用于需要较长通信时间的场景。可以在过程中查看进度或终止请求。例如，自动驾驶车辆的人机交互节点要求与导航算法节点建立动作方式的通信连接，以便及时获取车辆是否抵达目标位置的信息，通常消息类型包含接收节点ID、目标是否达成、任务完成进度等。（五）服务（service）当一个节点需要从另外一个节点发出请求并期望获得响应时，我们就需要借助于服务的客户端和服务器来实现同步双向消息的传递。适用于节点之间需要直接进行通信，且不能使用话题发布方式的场合。例如，当自动驾驶车辆在行驶过程中需要提高车速时，主节点向毫米波雷达节点发送服务请求，请求消息类型是车辆正前方，测量范围是150m。毫米波雷达节点收到服务请求后，将探测结果直接反馈给主节点，当响应消息是无任何障碍物时，车辆即可加速。二、节点（node）

为了最大化用户的可重用性，ROS是以节点（node）的形式开发的，而节点是根据其目的细分的可执行程序的最小单位。节点通过消息（message）与其他的节点交换数据，最终成为一个大型的程序。节点之间的消息通信分为三种：单向消息发送/接收方式的话题（topic）、双向消息请求/响应方式的服务（service）、双向消息目标（goal）/结果（result）/反馈（feedback）方式的动作（action）。另外，在节点中使用的参数可以从外部进行修改。ROS的节点通信结构如图所示。ROS的节点通信结构图

节点名在系统中必须唯一。节点可以采用C++或Python语言来进行编写。所有节点启动的时候都要在主节点进行注册，因此在运行节点的时候，必须要先启动主节点（master），否则启动的时候会报错。节点间通信的架构图三、ROS通信ROS中主要的通信方式有话题（topic）、服务（service）和动作（action）三种。话题（topic）是最常用的一种。对于实时性、周期性的消息，使用话题（topic）来传输是最佳的选择。话题（topic）是一种点对点的单向通信方式，这里的“点”指的是节点（node）。使用话题（topic）通信时，首先需要将publisher节点和subscriber节点都转移到节点管理器进行注册，其次publisher会发布topic，subscriber在master的指挥下会订阅该topic，从而建立起sub-pub之间的通信，注意整个过程是单向的。服务（service）方式在通信模型上与topic做了区别。服务（service）通信是双向的，它不仅可以发送消息，同时还会有反馈。所以服务（service）包括两部分，一部分是请求方（Clinet），另一部分是应答方/服务提供方（server）。这时请求方（Client）就会发送一个request，要等待server处理，反馈回一个reply，这样通过类似“请求—应答”的机制完成整个服务通信。动作（action）通信中，actionlib是ROS中一个很重要的库，类似service通信机制，actionlib也是一种请求响应机制的通信方式，actionlib主要弥补了service通信的一个不足，就是当机器人执行一个长时间的任务时，假如利用service通信方式，那么publisher会很长时间接收不到反馈的reply，致使通信受阻。当service通信不能很好地完成任务时候，actionlib则比较适合实现长时间的通信过程，actionlib通信过程可以随时被查看过程进度，也可以终止请求，这样的特性使得它在一些特别的机制中拥有很高的效率。（一）话题（topic）1.消息（msg）消息（msg）就是节点间话题通信时传递的具体信息，msg的类型包括bool、int、uint、float、string、array等，自定义的消息文件后缀为“.msg”。我们可以把msg理解为是一个“类”，那么每次发布的内容可以理解为“对象”，以图像的消息sensor_msg/image中的image.msg为例，消息文件定义内容如下：

（1）std_msg/Headerheader

（2）uint32seq//消息序号（3）timestamp//存储ROS中的时间戳信息（4）stringframe_id//绑定的坐标系（5）uint32height//图像的高度（6）uint32width //图像的宽度（7）stringencoding//图像的编码格式（8）uint8is_bigendian//图像数据的大小端存储模式（9）uint32step //一行图像数据的字节数量，作为数据的步长(以字节为单位)（10）uint8[]data //存储图像数据的数组，大小为step*height个字节2.话题（topic）的发布和订阅订阅者和发布者在主节点中注册话题名及消息的类型，订阅者通过查询在主节点中注册的话题名称，找到与之相匹配的发布者并建立连接，来实现话题的具体消息的接收。订阅者和发布者有以下三种对应关系：（1）一对一；（2）一对多；（3）多对多。话题订阅和发布的通信结构一对一关系一对多关系多对多关系（二）服务（Service）1.服务文件（srv）类似msg文件，srv文件是用来描述service数据类型的，service通信的数据格式定义在*.srv中。它声明了一个服务，包括请求(request)和响应（reply）两部分。2.服务（service）服务（service）的特点：自定义的服务文件后缀为“.srv”。包含有客户端（client）和服务端（server）的服务是同步双向通信，不仅可以发送消息，而且还会有应答，这样会形成阻塞。客户端和服务端分别在主节点中注册发布的服务名及请求的服务名等。服务的发布和订阅的通信结构（三）动作（Action）1.动作（action）文件模板类似msg文件，action文件是用来描述action相关信息的，action通信的数据格式定义在*.action中。它声明了一个动作，包括目标、反馈、结果三个部分。2.动作（Action）特点动作（Action）的特点如下：（1）动作和服务一样，都包含请求和应答。（2）动作比服务多了中途反馈，客户端可以在多种执行中获得动作的状态信息、结果信息或取消动作。（3）动作的消息传输方式属于异步双向通信，不会形成阻塞。动作的通信结构图05.任务实施按照前面所了解的知识内容和小组内部讨论的结果，制