3.2　ROS基本概念

早期，斯坦福大学的机器人技术研究人员发现，针对机器人的软件原型设计是一项繁重的编程任务，因为这必须从头开始为每个项目编写代码。曾经有一段时间，如C++和Python之类的编程语言被用于机器人技术，这是事实，需要大量的精力构建每个软件以提供机器人级别的功能，例如导航或操作。

这不仅是代码可重用性问题，而且还涉及在机器人技术中的工作方式。在过程编程中，程序的典型流程将一步一步执行，见图3-1。

该程序执行的任务是将多个图像组合为一个图像，这很容易推断出来。从机器人角度来看，这样工作的主要缺点是，如果某些步骤执行失败，则该过程将无法继续进行，因此无法交付结果，即合成图像。如果使用机器人的类比，这意味着如果机器人的一个手臂不能正常工作（例如驱动肘部的关节断裂），将一个轻型物体（例如，一本纸质书）从一个地方运输到另一个地方的人形机器人可能会失败。类人动物肯定应该能够使用另一只手臂完成任务。这就是ROS所做的！

让我们看如下的ROS图示例。

3.2.1　ROS图

此图对ROS来说，相比过程编程而言就像是工作流程图一样，见图3-2。

在图3-2中，每个圆圈（称为节点（node））代表一个独立程序（可以用Python、Java、C++、Ruby、Node.js或任何其他ROS已实现的编程语言来编写）。它们之间的连接（称为边（edge））代表信息的交换。箭头方向背后的含义是显而易见的：数据发布的节点是箭头开始的节点，而接收节点是箭头指向的节点。出现在边附近的单词被ROS称为主题（topic），它们构成了流经节点之间交换信息的通道。当节点需要使用主题信息时，可以通过订阅它进行操作，并且此操作会向图中添加一个新的箭头，从发布者（针对该主题的数据）指向订阅节点。

那么，从机器人的角度来看，此图有什么作用？请注意，GoPiGo3是经典的差动驱动机器人，每个车轮都可以独立转动，并且传感器（例如，距离传感器）为机器人提供有关移动时障碍物远近的信息，见图3-3。

图片来自Dexter Industries：https://32414320wji53mwwch1u68ce-wpengine.netdna-ssl.com/wp-content/uploads/2017/05/GPG3_FullServoDistanceGoogly_1-800x800.jpg

因此，可能有读者已经猜到在前面的ROS图中，节点L_servo是控制左伺服电动机（通过旋转车轮）的程序，而节点R_servo对应右轮。

所述sensor节点获取来自距离传感器数值，并通过连接它的边，即通过使用主题/sharp_data使得数值对control节点可用。控制节点可以利用它的信息来实现一些功能。例如，当GoPiGo3遇到障碍时，决策程序可以旋转机器人，直到找到没有障碍物的方向。旋转可以通过节点向L_servo和R_Servo节点发送速度相反的命令来实现。

这些信号是流过图的相应边的信号：左伺服主题/speed_left或与另一个对应的/speed_right。在ROS程序中，control节点在/speed_left主题中发布了用于左伺服电动机的命令。

3.2.2　roscore

roscore是必须启动的第一个强制性节点，从而使ROS环境可以运行。这样，每个节点都可以通过订阅发布的主题查找其他任何节点。roscore还管理数据库中的ROS参数——定义机器人配置的值。因此，如果roscore进程死亡，则主节点将发生故障，并且机器人将停止工作。可能会猜到，单点故障是分布式计算框架（例如ROS）的明显限制。因此，ROS2解决了此问题，并且运行的软件不再需要主节点。节点之间的通信依赖于实时系统的数据分发服务（Data Distribution Service，DDS）架构。

机器人编程与编写软件应用程序有何不同？在机器人技术中，专注于应用程序的顶层功能，并集成了他人编写的预制软件。

并非机器人技术中的所有软件都遵循此类方法。事实上，考虑到多种用途，选择了ROS，因为它的理念适合实践中学习的方法。

这些软件由分组为节点的代码块组成，形成了所谓的ROS软件包（ROS package）。几个相关的节点构成一个ROS软件包，该软件包提供特定的功能，例如，使用摄像头进行图像目标识别。

3.2.3　工作空间和catkin

ROS中的工作空间是用于编译和运行软件的隔离环境。通常使用不同的工作空间管理不同的项目。工作空间将包含项目所需的所有ROS软件包。

从物理上讲，它是主目录中的一个文件夹，其中包含应用程序的所有特定文件，将工作空间部署到另一台预装有ROS的计算机上将可以正常工作，并且与原始计算机上的工作相同。

与工作空间概念紧密相关的是catkin，它是ROS的编译系统，结合了CMake宏和Python脚本以提供CMake常规工作流以上的功能。至此，每当在工作空间中包含新软件包时，就可以使用此工具编译软件。catkin的深入概念解释见http://wiki.ros.org/catkin/conceptual_overview。