移動(dòng)機(jī)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(diǎn)、話題、消息、服務(wù)等，在實(shí)際機(jī)器人運(yùn)行過程中，這些概念是如何體現(xiàn)的呢？

我們先來運(yùn)行ROS系統(tǒng)一個(gè)經(jīng)典的例程——小海龜。

請(qǐng)大家按照以下步驟進(jìn)行操作。

1.首先，打開終端；

2.輸入以下命令行，啟動(dòng)ROS Master：

$ roscore

3.啟動(dòng)成功后，打開一個(gè)新終端，輸入以下命令行，啟動(dòng)小海龜仿真器，啟動(dòng)成功后，就會(huì)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(gè)新的終端，輸入以下命令行，啟動(dòng)海龜控制節(jié)點(diǎn)，大家可以通過鍵盤上上下左右鍵來控制小海龜運(yùn)動(dòng)：

$ rosrun turtlesim turtle_teleop_key

注意：在控制海龜運(yùn)動(dòng)的過程中一定要保證turtle_teleop_key節(jié)點(diǎn)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(gè)例程是如何基于ROS的核心概念實(shí)現(xiàn)的呢？

接下來我們就分析一下例程背后的節(jié)點(diǎn)關(guān)系。

圖1-1 小海龜仿真器界面

圖1-2 啟動(dòng)海龜仿真器節(jié)點(diǎn)

圖1-3 啟動(dòng)海龜控制節(jié)點(diǎn)

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

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

接著上一個(gè)小海龜?shù)睦?，我們?cè)賮泶蜷_一個(gè)終端，輸入以下命令行，啟動(dòng)rosgraph：

$ rqt_graph

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

在這個(gè)例程中，我們分別啟動(dòng)了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，一個(gè)是海龜仿真器，我們可以把它當(dāng)成是一個(gè)虛擬的機(jī)器人，另外一個(gè)是鍵盤控制，用來控制機(jī)器人前后左右運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在節(jié)點(diǎn)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(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制

通過這個(gè)例程，我們需要理解節(jié)點(diǎn)在ROS中用來實(shí)現(xiàn)某些具體的功能，比如機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)指令的發(fā)送等，節(jié)點(diǎn)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(gè)仿真的機(jī)器人，在實(shí)物機(jī)器人中是不是也類似呢，我們?cè)賮碓囈辉嚒?/p>

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

$ 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(diǎn)關(guān)系，我們可以直觀的發(fā)現(xiàn)，此時(shí)系統(tǒng)中運(yùn)行了三個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖1-5所示。

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

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

第二個(gè)節(jié)點(diǎn)是類似小海龜仿真器一樣，用來驅(qū)動(dòng)LIMO機(jī)器人的底盤控制節(jié)點(diǎn)limo_base_node，它會(huì)訂閱速度指令，當(dāng)收到數(shù)據(jù)后，就會(huì)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人發(fā)生運(yùn)動(dòng)了。

從這張圖中，我們可以清晰的看到這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)和他們之間的關(guān)系，更多節(jié)點(diǎn)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(dòng)作，發(fā)布速度控制指令

limo_base_node：機(jī)器人底盤控制節(jié)點(diǎn)，包含PID算法控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)、訂閱/cmd_vel話題

以上案例實(shí)現(xiàn)的功能相對(duì)簡(jiǎn)單，在一個(gè)實(shí)現(xiàn)眾多應(yīng)用功能的復(fù)雜機(jī)器人系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)和話題的數(shù)量都會(huì)很多，類似如圖1-6所示這樣，除了底層嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器中需要實(shí)現(xiàn)的功能外，ROS環(huán)境下會(huì)通過一系列節(jié)點(diǎn)分別完成雷達(dá)、相機(jī)這些傳感器的驅(qū)動(dòng)，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(diǎn)來訂閱并進(jìn)行相應(yīng)的算法處理，再傳輸?shù)奖O(jiān)控的計(jì)算機(jī)，給可視化節(jié)點(diǎn)做顯示。每個(gè)節(jié)點(diǎn)各司其職，在ROS Master這個(gè)節(jié)點(diǎn)管理器的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下，有條不紊的完成各項(xiàng)任務(wù)。

整個(gè)ROS運(yùn)行中的節(jié)點(diǎn)就像一個(gè)企業(yè)中不同部門的員工，每個(gè)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(xiàng)非常復(fù)雜的任務(wù)。當(dāng)然，每個(gè)人都不能掉隊(duì)，一旦掉隊(duì)就可能會(huì)影響最終任務(wù)的完成。

圖1-6 移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行結(jié)構(gòu)分析

審核編輯：劉清