ROS学习笔记之《ROS里那些专有名词》

第一次使用ROS有很多第一次接触的名词：节点 话题 服务。。。

节点（Nodes）

• 定义：节点是 ROS 系统里执行计算的进程。简单来说，一个节点就是一个单独运行的程序，它能完成特定的任务，比如控制机器人的电机、处理传感器数据等。
• 作用：不同的节点可以分工合作，共同完成复杂的机器人任务。例如，一个节点负责读取激光雷达的数据，另一个节点对这些数据进行处理，还有一个节点根据处理后的数据规划机器人的路径。
• 示例：在一个简单的机器人系统中，可能有一个节点专门用于控制机器人的轮子转动，它接收来自其他节点的运动指令，并将这些指令转化为电机的控制信号。

话题（Topics）

• 定义：话题是节点之间进行通信的一种机制。节点可以向话题发布消息，也可以订阅话题以接收消息。话题就像是一个 “公告板”，节点可以在上面张贴消息（发布），也可以查看上面的消息（订阅）。
• 作用：通过话题，节点之间可以实现松耦合的通信。一个节点不需要知道其他节点的具体信息，只需要知道话题的名称，就可以进行数据的发送和接收。这样可以提高系统的灵活性和可扩展性。
• 示例：假设机器人上有一个摄像头节点，它会不断地将拍摄到的图像数据发布到名为/camera_image的话题上。而另一个节点（比如图像处理节点）可以订阅这个话题，获取图像数据并进行处理。

订阅（Subscription）

• 定义：订阅指的是节点向特定话题表达接收消息的意愿。当节点订阅了某个话题，它就会持续监听该话题，一旦有新消息发布，节点就能接收到这些消息并进行相应处理。
• 作用：让节点能够获取其他节点发布的信息，从而实现节点间的数据交互和协作。例如，机器人的决策节点可以订阅传感器节点发布的话题，获取环境数据来做出决策。
• 示例：在 Python 中使用 ROS 2 订阅/topic话题的代码片段如下：

  import rclpy
  from rclpy.node import Node
  from std_msgs.msg import Stringclass MinimalSubscriber(Node):def __init__(self):super().__init__('minimal_subscriber')self.subscription = self.create_subscription(String,'topic',self.listener_callback,10)self.subscription  # prevent unused variable warningdef listener_callback(self, msg):self.get_logger().info('I heard: "%s"' % msg.data)def main(args=None):rclpy.init(args=args)minimal_subscriber = MinimalSubscriber()rclpy.spin(minimal_subscriber)minimal_subscriber.destroy_node()rclpy.shutdown()if __name__ == '__main__':main()

在这个例子中，MinimalSubscriber节点订阅了/topic话题，当有新消息发布时，会调用listener_callback函数进行处理。

发布（Publication）

消息队列（Message Queue）

功能包（Packages）

它们之间的关系

节点通过话题进行通信，而这些节点和相关的资源（如配置文件、启动脚本等）被组织在功能包中。一个功能包可以包含多个节点，这些节点可以通过话题相互协作，共同完成功能包所定义的任务。例如，在一个机器人的 SLAM（同步定位与地图构建）功能包中，可能包含一个激光雷达数据采集节点、一个地图构建节点和一个定位节点，它们通过不同的话题进行数据交换，最终实现 SLAM 的功能。

服务（Services）

动作（Actions）

消息（Messages）

参数服务器（Parameter Server）

启动文件（Launch Files）

• 定义：与订阅相对，发布是节点向特定话题发送消息的操作。节点可以将自己产生的数据封装成消息，然后发布到指定的话题上，供其他订阅该话题的节点接收。
• 作用：使节点能够将自己的计算结果或采集到的数据分享给其他节点，促进系统内的数据流通和协作。
• 示例：同样在 Python 中使用 ROS 2 发布消息到/topic话题的代码片段如下：

  import rclpy
  from rclpy.node import Node
  from std_msgs.msg import Stringclass MinimalPublisher(Node):def __init__(self):super().__init__('minimal_publisher')self.publisher_ = self.create_publisher(String, 'topic', 10)timer_period = 0.5  # secondsself.timer = self.create_timer(timer_period, self.timer_callback)self.i = 0def timer_callback(self):msg = String()msg.data = 'Hello World: %d' % self.iself.publisher_.publish(msg)self.get_logger().info('Publishing: "%s"' % msg.data)self.i += 1def main(args=None):rclpy.init(args=args)minimal_publisher = MinimalPublisher()rclpy.spin(minimal_publisher)minimal_publisher.destroy_node()rclpy.shutdown()if __name__ == '__main__':main()

  在这个例子中，MinimalPublisher节点每隔 0.5 秒就会向/topic话题发布一条消息。

  回调函数（Callback Functions）

• 定义：在订阅过程中，当节点接收到话题的新消息时，会调用预先定义好的函数来处理这些消息，这个函数就是回调函数。
• 作用：确保节点能够及时、正确地处理接收到的消息。回调函数可以对消息进行解析、计算、存储等操作，以满足节点的功能需求。
• 定义：在发布和订阅过程中，为了处理消息的发送和接收速度不一致的问题，会使用消息队列。当发布者发布消息的速度超过订阅者处理消息的速度时，消息会先存储在队列中，等待订阅者处理。
• 作用：保证消息的有序处理和不丢失。同时，也可以避免因消息处理不及时而导致的系统崩溃或数据错误。
• 示例：在create_subscription和create_publisher函数中，最后一个参数通常用于指定消息队列的大小。例如self.create_subscription(String, 'topic', self.listener_callback, 10)中的10表示消息队列的最大长度为 10。
  • 示例：在上述订阅示例中，listener_callback就是回调函数，它接收接收到的消息并将其内容打印出来。
  • 定义：功能包是 ROS 系统中组织代码的基本单位。一个功能包包含了实现特定功能所需的所有文件，如源代码、配置文件、启动脚本等。
  • 作用：功能包使得代码的管理和复用变得更加方便。你可以将相关的代码和资源打包在一起，然后在不同的项目中重复使用。同时，功能包也便于团队协作开发，不同的开发者可以负责不同的功能包。
  • 示例：一个用于机器人导航的功能包可能包含了路径规划算法的源代码、地图文件、配置参数等。其他项目如果需要使用这个导航功能，只需要引入这个功能包即可。
  • 定义：服务是节点之间进行同步通信的一种机制。与话题的异步通信不同，服务基于请求 - 响应模式。一个节点向另一个节点发送请求，然后等待接收方处理请求并返回响应。
  • 作用：适用于需要明确结果的操作，例如查询机器人的当前状态、设置机器人的参数等。这种模式可以确保节点之间的交互具有确定性和可靠性。
  • 示例：你可以创建一个服务，用于请求机器人的电池电量。客户端节点发送一个查询电池电量的请求，服务端节点接收到请求后，读取电池电量信息并返回给客户端。
  • 定义：动作是一种用于处理长时间运行任务的通信机制，它结合了话题和服务的特点。动作包含目标（Goal）、反馈（Feedback）和结果（Result）三个部分。客户端向服务端发送一个目标，服务端在执行任务的过程中可以定期向客户端发送反馈信息，任务完成后返回最终结果。
  • 作用：对于像机器人导航、机械臂运动这样的长时间任务非常有用，因为它允许客户端实时了解任务的执行进度。
  • 示例：当你要求机器人移动到某个位置时，你可以通过动作机制发送一个目标位置。在机器人移动过程中，它会不断发送反馈信息（如当前位置、剩余距离等），最终到达目标位置后返回完成结果。
  • 定义：消息是节点之间通信的数据载体。无论是通过话题、服务还是动作进行通信，节点之间传递的都是消息。消息有特定的数据类型，例如整数、浮点数、字符串、数组等，也可以是自定义的复杂数据结构。
  • 作用：消息定义了节点之间数据交换的格式，确保发送方和接收方能够正确理解和处理数据。
  • 示例：在 ROS 中，有许多预定义的消息类型，如std_msgs/String（用于传递字符串消息）、sensor_msgs/LaserScan（用于传递激光雷达数据）。你也可以根据需要自定义消息类型。
  • 定义：参数服务器是一个全局的共享数据库，用于存储和管理节点的配置参数。节点可以从参数服务器读取参数，也可以将参数写入参数服务器。
  • 作用：方便对系统的配置参数进行集中管理和动态调整。例如，你可以在参数服务器中设置机器人的运动速度、传感器的采样频率等参数，不同的节点可以根据这些参数进行相应的操作。
  • 示例：在一个机器人导航系统中，你可以将地图的分辨率、导航算法的参数等存储在参数服务器中，导航节点在启动时从参数服务器读取这些参数，而不需要在代码中硬编码。
  • 定义：启动文件是用于一次性启动多个节点的配置文件。在 ROS 中，通常一个复杂的系统需要同时运行多个节点，手动逐个启动这些节点会非常繁琐。启动文件可以帮助你自动化这个过程。
  • 作用：简化系统的启动过程，提高开发和调试效率。同时，启动文件还可以设置节点的参数、指定节点的命名空间等。
  • 示例：你可以创建一个启动文件，同时启动激光雷达节点、地图构建节点和导航节点，并为每个节点设置相应的参数。在启动系统时，只需要运行这个启动文件即可。