移動機器人ROS架構(gòu)分析

1.1小海龜仿真

ROS的核心概念不少，有節(jié)點、話題、消息、服務(wù)等，在實際機器人運行過程中，這些概念是如何體現(xiàn)的呢？

我們先來運行ROS系統(tǒng)一個經(jīng)典的例程——小海龜。

請大家按照以下步驟進行操作。

1.首先，打開終端；

2.輸入以下命令行，啟動ROS Master：

$ roscore

3.啟動成功后，打開一個新終端，輸入以下命令行，啟動小海龜仿真器，啟動成功后，就會出現(xiàn)如圖1-1所示的小海龜仿真器界面：

$ rosrun turtlesim turtlesim_node

4.再打開一個新的終端，輸入以下命令行，啟動海龜控制節(jié)點，大家可以通過鍵盤上上下左右鍵來控制小海龜運動：

$ rosrun turtlesim turtle_teleop_key

注意：在控制海龜運動的過程中一定要保證turtle_teleop_key節(jié)點終端在界面最前端的，如果其他終端在最前面就沒有辦法被終端讀取到數(shù)據(jù)的。

小海龜功能是跑起來了，那這個例程是如何基于ROS的核心概念實現(xiàn)的呢？

接下來我們就分析一下例程背后的節(jié)點關(guān)系。

圖1-1 小海龜仿真器界面

圖1-2 啟動海龜仿真器節(jié)點

圖1-3 啟動海龜控制節(jié)點

這里我們將用到ROS中一個重要的可視化調(diào)試工具——rosgraph，用來顯示ROS運行中計算圖，我們可以從上帝視角看到所有節(jié)點的運行關(guān)系。

圖1-4 使用rqt_graph可視化工具查看系統(tǒng)中運行的計算圖

接著上一個小海龜?shù)睦?，我們再來打開一個終端，輸入以下命令行，啟動rosgraph：

$ rqt_graph

啟動完成后，即可看到如圖1-4所示的計算圖，這個界面會自動的監(jiān)控當(dāng)前運行的整個ROS系統(tǒng)，并且把里面的節(jié)點和節(jié)點間的關(guān)系動態(tài)的顯示出來，其中橢圓表示節(jié)點，中間的箭頭表示節(jié)點間的關(guān)系，箭頭上的內(nèi)容表示話題。

在這個例程中，我們分別啟動了兩個節(jié)點，一個是海龜仿真器，我們可以把它當(dāng)成是一個虛擬的機器人，另外一個是鍵盤控制，用來控制機器人前后左右運動，兩個節(jié)點在節(jié)點管理器的幫助下建立了數(shù)據(jù)通信，完成速度控制指令的傳輸。

1.2移動機器人運動控制

通過這個例程，我們需要理解節(jié)點在ROS中用來實現(xiàn)某些具體的功能，比如機器人的驅(qū)動、運動指令的發(fā)送等，節(jié)點之間可以通過話題將數(shù)據(jù)發(fā)送或接收。

小海龜畢竟是一個仿真的機器人，在實物機器人中是不是也類似呢，我們再來試一試。

接下來，我們來使用以下兩句命令行啟動LIMO機器人，并啟動鍵盤控制節(jié)點，類似控制小海龜前后左右運動一樣，我們也可以控制機器人運動。

$ roslaunch limo_base limo_base.launch
$ roslaunch limo_bringup limo_teletop_keyboard.launch

再打開rosgraph工具看一下節(jié)點關(guān)系，我們可以直觀的發(fā)現(xiàn)，此時系統(tǒng)中運行了三個節(jié)點，如圖1-5所示。

圖1-5 使用rqt_graph可視化工具查看節(jié)點關(guān)系

第一個是和控制海龜運動相同的鍵盤控制節(jié)點teleop_keybord，用來讀取鍵盤的輸入鍵值，并封裝成cmd_vel這個速度話題發(fā)布出去。

第二個節(jié)點是類似小海龜仿真器一樣，用來驅(qū)動LIMO機器人的底盤控制節(jié)點limo_base_node，它會訂閱速度指令，當(dāng)收到數(shù)據(jù)后，就會驅(qū)動機器人發(fā)生運動了。

從這張圖中，我們可以清晰的看到這兩個節(jié)點和他們之間的關(guān)系，更多節(jié)點也是類似，如果未來使用過程中某一環(huán)的數(shù)據(jù)沒收到，我們就可以快速定位原因了。

teleop_keybord：讀取鍵盤動作，發(fā)布速度控制指令

limo_base_node：機器人底盤控制節(jié)點，包含PID算法控制電機運動、訂閱/cmd_vel話題

以上案例實現(xiàn)的功能相對簡單，在一個實現(xiàn)眾多應(yīng)用功能的復(fù)雜機器人系統(tǒng)中，節(jié)點和話題的數(shù)量都會很多，類似如圖1-6所示這樣，除了底層嵌入式運動控制器中需要實現(xiàn)的功能外，ROS環(huán)境下會通過一系列節(jié)點分別完成雷達(dá)、相機這些傳感器的驅(qū)動，發(fā)布數(shù)據(jù)話題后，上層的導(dǎo)航、建圖、圖像處理節(jié)點來訂閱并進行相應(yīng)的算法處理，再傳輸?shù)奖O(jiān)控的計算機，給可視化節(jié)點做顯示。每個節(jié)點各司其職，在ROS Master這個節(jié)點管理器的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下，有條不紊的完成各項任務(wù)。

整個ROS運行中的節(jié)點就像一個企業(yè)中不同部門的員工，每個人都有自己明確的工作，大家共同在CEO的組織下積少成多，合作完成一項非常復(fù)雜的任務(wù)。當(dāng)然，每個人都不能掉隊，一旦掉隊就可能會影響最終任務(wù)的完成。

圖1-6 移動機器人運行結(jié)構(gòu)分析

審核編輯：劉清