[Ros] ROSアーキテクチャ

ROSアーキテクチャの説明も、さまざまな観点から異なります。一般に、ROS構造は、設計者、メンテナ、システム構造、および独自の構造の4つの観点から説明できます。

1.デザイナー

ROS設計者は、ROSを「ROS =配管+ツール+機能+エコシステム」と表現します。

配管：通信メカニズム（ROSの異なるノード間の相互作用を実現）
ツール：ツールパッケージ（ROSの開発およびデバッグツール）
機能：ロボットの高レベルのスキル（ナビゲーションなど、ROSの特定の機能のコレクション）
エコシステム：ロボットエコシステム（クロスリージョン、クロスソフトウェアおよびハードウェアROSアライアンス）

2.メンテナ

メンテナの視点に基づく：ROSアーキテクチャは2つの部分に分けることができます

メイン：主にウィローガレージと一部の開発者によって設計、提供、保守されているコア部分。分散コンピューティングのためのいくつかの基本的なツールと、ROS全体のコア部分のプログラミングを提供します。
ユニバース：さまざまな国のROSコミュニティ組織によって開発および保守されているグローバル規模のコード。1つはOpenCV、PCLなどのライブラリコードです。ライブラリの上位層は顔認識などの機能的な観点から提供されるコードであり、下位ライブラリと呼ばれます。最上部のコードはアプリケーションレベルのコードです。、ロボットに特定の機能を完了させます。

3.システムアーキテクチャ

システムアーキテクチャに基づく：ROSは3つのレイヤーに分割できます

OS層、古典的な意味でのオペレーティングシステム

ROSは単なるメタオペレーティングシステムであり、実際のオペレーティングシステムに依存する必要があります。現在、最も互換性のあるのはLinux上のUbuntuです。MacとWindowsも新しいバージョンのROSをサポートしています。
中間層

これは、次のように、ROSによってカプセル化されたロボット開発に関するミドルウェアです。
- TCP / UDP連続カプセル化に基づくTCPROS / UDPROS通信システム
- リアルタイムデータ送信のサポートを提供するためのプロセス間通信ノードレットに使用されます
- さらに、データ型の定義、座標変換、モーションコントロールなど、多数のロボット開発および実装ライブラリも提供されます。
アプリケーション層

関数パッケージ、および関数パッケージ内のノード（マスター、turtlesimコントロール、モーションノードなど）。

4.独自の構造

ROS自体の実装に関して：ROSは3つのレイヤーに分割することもできます

ファイルシステム

ROSファイルシステムレベルとは、ハードディスクに表示されるROSソースコードの構成を指します。
計算グラフ

ROS分散システムのさまざまなプロセスがデータを交換する必要があります。計算グラフは、データの相互作用プロセスをポイントツーポイントネットワークの形式で表すことができます。計算グラフの重要な概念：ノード（ノード）、メッセージ（メッセージ）、通信メカニズムトピック（トピック）、通信メカニズムサービス（サービス）
オープンソースコミュニティ

ROSのコミュニティレベルの概念は、ROSネットワークでのコードリリースの現れです。
- 配布（配布）ROS配布は、個別にインストールでき、バージョン番号を持つ一連の包括的な機能パッケージです。ROSディストリビューションは、Linuxディストリビューションと同様の役割を果たします。これにより、ROSソフトウェアのインストールが容易になり、ソフトウェアコレクションを通じて一貫したバージョンを維持できます。
- リポジトリROSは、オープンソースコードとソフトウェアライブラリを共有するWebサイトまたはホスティングサービスに依存しており、さまざまな組織がロボットソフトウェアとプログラムを公開および共有できます。
- ROS Wiki ROS Wikiは、ROSシステムに関する情報を記録するためのメインフォーラムです。誰でもアカウントに登録したり、自分のファイルを投稿したり、修正や更新を提供したり、チュートリアルを書いたり、その他のアクションを実行したりできます。ウェブサイトはhttp://wiki.ros.org/です。
- バグチケットシステム（バグチケットシステム）問題を見つけた場合、または新しい機能を提案したい場合、ROSはそれを行うためにこのリソースを提供します。
- メーリングリスト（メーリングリスト）ROSユーザーメーリングリストは、ROSの主要なコミュニケーションチャネルであり、ROSソフトウェアのアップデートからフォーラムのようにROSソフトウェアを使用するまで、あらゆる種類の質問や情報を交換できます。ウェブサイトはhttp://lists.ros.org/です。
- ROS Answerユーザーは、このリソースを使用して質問をすることができます。URLはhttps://answers.ros.org/questions/です。
- ブログ（ブログ）定期的な更新、写真、ニュースを見ることができます。ウェブサイトはhttps://www.ros.org/news/ですが、ブログシステムは廃止され、ROSコミュニティに置き換えられました。ウェブサイトはhttps://discourse.ros.org/です。

学習の初期段階では、ROSの組み込みケースを実行し、簡単なROS実装を作成しました。したがって、現在の進捗状況により、すべての設計アーキテクチャのすべてのモジュールを詳細に紹介することはしません。現在は、ファイルシステムと計算図を紹介します。次の章では、ROSのコア実装の1つでもあるROSの通信メカニズムを紹介します。

1ROSファイルシステム

ROSファイルシステムレベルとは、ハードディスク上のROSソースコードの構成を指し、その構造は次の図に示すように大まかになります。

WorkSpace --- 自定义的工作空间

    |--- build:编译空间，用于存放CMake和catkin的缓存信息、配置信息和其他中间文件。

    |--- devel:开发空间，用于存放编译后生成的目标文件，包括头文件、动态&静态链接库、可执行文件等。

    |--- src: 源码

        |-- package：功能包(ROS基本单元)包含多个节点、库与配置文件，包名所有字母小写，只能由字母、数字与下划线组成

            |-- CMakeLists.txt 配置编译规则，比如源文件、依赖项、目标文件

            |-- package.xml 包信息，比如:包名、版本、作者、依赖项...(以前版本是 manifest.xml)

            |-- scripts 存储python文件

            |-- src 存储C++源文件

            |-- include 头文件

            |-- msg 消息通信格式文件

            |-- srv 服务通信格式文件

            |-- action 动作格式文件

            |-- launch 可一次性运行多个节点 

            |-- config 配置信息

        |-- CMakeLists.txt: 编译的基本配置

ROSファイルシステム内の一部のディレクトリとファイルは、関数パッケージの作成、srcディレクトリへのcppファイルの書き込み、scriptsディレクトリへのpythonファイルの書き込み、起動ファイルの書き込みなど、以前のプログラミングに関係しています。起動ディレクトリ、および構成package.xmlファイルとCMakeLists.txtファイルにあります。他のディレクトリの内容は、チュートリアルの後半で紹介されます。現在、主に次の2つの構成ファイルを紹介しています：package.xmlとCMakeLists.txt。

1.package.xml

<?xml version="1.0"?>
<!-- 格式: 以前是 1，推荐使用格式 2 -->
<package format="2">
  <!-- 包名 -->
  <name>demo01_hello_vscode</name>
  <!-- 版本 -->
  <version>0.0.0</version>
  <!-- 描述信息 -->
  <description>The demo01_hello_vscode package</description>

  <!-- One maintainer tag required, multiple allowed, one person per tag -->
  <!-- Example:  -->
  <!-- <maintainer email="[email protected]">Jane Doe</maintainer> -->
  <!-- 维护人员 -->
  <maintainer email="[email protected]">winter</maintainer>


  <!-- One license tag required, multiple allowed, one license per tag -->
  <!-- Commonly used license strings: -->
  <!--   BSD, MIT, Boost Software License, GPLv2, GPLv3, LGPLv2.1, LGPLv3 -->
  <!-- 许可证信息，ROS核心组件默认 BSD -->
  <license>TODO</license>


  <!-- Url tags are optional, but multiple are allowed, one per tag -->
  <!-- Optional attribute type can be: website, bugtracker, or repository -->
  <!-- Example: -->
  <!-- <url type="website">http://wiki.ros.org/demo01_hello_vscode</url> -->


  <!-- Author tags are optional, multiple are allowed, one per tag -->
  <!-- Authors do not have to be maintainers, but could be -->
  <!-- Example: -->
  <!-- <author email="[email protected]">Jane Doe</author> -->


  <!-- The *depend tags are used to specify dependencies -->
  <!-- Dependencies can be catkin packages or system dependencies -->
  <!-- Examples: -->
  <!-- Use depend as a shortcut for packages that are both build and exec dependencies -->
  <!--   <depend>roscpp</depend> -->
  <!--   Note that this is equivalent to the following: -->
  <!--   <build_depend>roscpp</build_depend> -->
  <!--   <exec_depend>roscpp</exec_depend> -->
  <!-- Use build_depend for packages you need at compile time: -->
  <!--   <build_depend>message_generation</build_depend> -->
  <!-- Use build_export_depend for packages you need in order to build against this package: -->
  <!--   <build_export_depend>message_generation</build_export_depend> -->
  <!-- Use buildtool_depend for build tool packages: -->
  <!--   <buildtool_depend>catkin</buildtool_depend> -->
  <!-- Use exec_depend for packages you need at runtime: -->
  <!--   <exec_depend>message_runtime</exec_depend> -->
  <!-- Use test_depend for packages you need only for testing: -->
  <!--   <test_depend>gtest</test_depend> -->
  <!-- Use doc_depend for packages you need only for building documentation: -->
  <!--   <doc_depend>doxygen</doc_depend> -->
  
  <!-- 依赖的构建工具，这是必须的 -->
  <buildtool_depend>catkin</buildtool_depend>

  <!-- 指定构建此软件包所需的软件包 -->
  <build_depend>roscpp</build_depend>
  <build_depend>rospy</build_depend>
  <build_depend>std_msgs</build_depend>

  <!-- 指定根据这个包构建库所需要的包 -->
  <build_export_depend>roscpp</build_export_depend>
  <build_export_depend>rospy</build_export_depend>
  <build_export_depend>std_msgs</build_export_depend>

  <!-- 运行该程序包中的代码所需的程序包 -->  
  <exec_depend>roscpp</exec_depend>
  <exec_depend>rospy</exec_depend>
  <exec_depend>std_msgs</exec_depend>


  <!-- The export tag contains other, unspecified, tags -->
  <export>
    <!-- Other tools can request additional information be placed here -->

  </export>
</package>

2.CMakelists.txt

ファイルCMakeLists.txtは、CMakeビルドシステムの入力であり、ソフトウェアパッケージのビルドに使用されます。CMake互換のソフトウェアパッケージには、コードのビルド方法とコードのインストール場所を記述した1つ以上のCMakeLists.txtファイルが含まれています。

cmake_minimum_required(VERSION 3.0.2) #所需 cmake 版本
project(demo01_hello_vscode) #包名称，会被 ${PROJECT_NAME} 的方式调用

## Compile as C++11, supported in ROS Kinetic and newer
# add_compile_options(-std=c++11)

## Find catkin macros and libraries
## if COMPONENTS list like find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS xyz)
## is used, also find other catkin packages
#设置构建所需要的软件包
find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS
  roscpp
  rospy
  std_msgs
)

## System dependencies are found with CMake's conventions
#默认添加系统依赖
# find_package(Boost REQUIRED COMPONENTS system)


## Uncomment this if the package has a setup.py. This macro ensures
## modules and global scripts declared therein get installed
## See http://ros.org/doc/api/catkin/html/user_guide/setup_dot_py.html
# 启动 python 模块支持
# catkin_python_setup()

################################################
## Declare ROS messages, services and actions ##
## 声明 ROS 消息、服务、动作... ##
################################################

## To declare and build messages, services or actions from within this
## package, follow these steps:
## * Let MSG_DEP_SET be the set of packages whose message types you use in
##   your messages/services/actions (e.g. std_msgs, actionlib_msgs, ...).
## * In the file package.xml:
##   * add a build_depend tag for "message_generation"
##   * add a build_depend and a exec_depend tag for each package in MSG_DEP_SET
##   * If MSG_DEP_SET isn't empty the following dependency has been pulled in
##     but can be declared for certainty nonetheless:
##     * add a exec_depend tag for "message_runtime"
## * In this file (CMakeLists.txt):
##   * add "message_generation" and every package in MSG_DEP_SET to
##     find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS ...)
##   * add "message_runtime" and every package in MSG_DEP_SET to
##     catkin_package(CATKIN_DEPENDS ...)
##   * uncomment the add_*_files sections below as needed
##     and list every .msg/.srv/.action file to be processed
##   * uncomment the generate_messages entry below
##   * add every package in MSG_DEP_SET to generate_messages(DEPENDENCIES ...)

## Generate messages in the 'msg' folder
# add_message_files(
#   FILES
#   Message1.msg
#   Message2.msg
# )

## Generate services in the 'srv' folder
# add_service_files(
#   FILES
#   Service1.srv
#   Service2.srv
# )

## Generate actions in the 'action' folder
# add_action_files(
#   FILES
#   Action1.action
#   Action2.action
# )

## Generate added messages and services with any dependencies listed here
# 生成消息、服务时的依赖包
# generate_messages(
#   DEPENDENCIES
#   std_msgs
# )

################################################
## Declare ROS dynamic reconfigure parameters ##
## 声明 ROS 动态参数配置 ##
################################################

## To declare and build dynamic reconfigure parameters within this
## package, follow these steps:
## * In the file package.xml:
##   * add a build_depend and a exec_depend tag for "dynamic_reconfigure"
## * In this file (CMakeLists.txt):
##   * add "dynamic_reconfigure" to
##     find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS ...)
##   * uncomment the "generate_dynamic_reconfigure_options" section below
##     and list every .cfg file to be processed

## Generate dynamic reconfigure parameters in the 'cfg' folder
# generate_dynamic_reconfigure_options(
#   cfg/DynReconf1.cfg
#   cfg/DynReconf2.cfg
# )

###################################
## catkin specific configuration ##
## catkin 特定配置##
###################################
## The catkin_package macro generates cmake config files for your package
## Declare things to be passed to dependent projects
## INCLUDE_DIRS: uncomment this if your package contains header files
## LIBRARIES: libraries you create in this project that dependent projects also need
## CATKIN_DEPENDS: catkin_packages dependent projects also need
## DEPENDS: system dependencies of this project that dependent projects also need
# 运行时依赖
catkin_package(
#  INCLUDE_DIRS include
#  LIBRARIES demo01_hello_vscode
#  CATKIN_DEPENDS roscpp rospy std_msgs
#  DEPENDS system_lib
)

###########
## Build ##
###########

## Specify additional locations of header files
## Your package locations should be listed before other locations
# 添加头文件路径，当前程序包的头文件路径位于其他文件路径之前
include_directories(
# include
  ${catkin_INCLUDE_DIRS}
)

## Declare a C++ library
# 声明 C++ 库
# add_library(${PROJECT_NAME}
#   src/${PROJECT_NAME}/demo01_hello_vscode.cpp
# )

## Add cmake target dependencies of the library
## as an example, code may need to be generated before libraries
## either from message generation or dynamic reconfigure
# 添加库的 cmake 目标依赖
# add_dependencies(${PROJECT_NAME} ${${PROJECT_NAME}_EXPORTED_TARGETS} ${catkin_EXPORTED_TARGETS})

## Declare a C++ executable
## With catkin_make all packages are built within a single CMake context
## The recommended prefix ensures that target names across packages don't collide
# 声明 C++ 可执行文件
add_executable(Hello_VSCode src/Hello_VSCode.cpp)

## Rename C++ executable without prefix
## The above recommended prefix causes long target names, the following renames the
## target back to the shorter version for ease of user use
## e.g. "rosrun someones_pkg node" instead of "rosrun someones_pkg someones_pkg_node"
#重命名c++可执行文件
# set_target_properties(${PROJECT_NAME}_node PROPERTIES OUTPUT_NAME node PREFIX "")

## Add cmake target dependencies of the executable
## same as for the library above
#添加可执行文件的 cmake 目标依赖
add_dependencies(Hello_VSCode ${${PROJECT_NAME}_EXPORTED_TARGETS} ${catkin_EXPORTED_TARGETS})

## Specify libraries to link a library or executable target against
#指定库、可执行文件的链接库
target_link_libraries(Hello_VSCode
  ${catkin_LIBRARIES}
)

#############
## Install ##
## 安装 ##
#############

# all install targets should use catkin DESTINATION variables
# See http://ros.org/doc/api/catkin/html/adv_user_guide/variables.html

## Mark executable scripts (Python etc.) for installation
## in contrast to setup.py, you can choose the destination
#设置用于安装的可执行脚本
catkin_install_python(PROGRAMS
  scripts/Hi.py
  DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_BIN_DESTINATION}
)

## Mark executables for installation
## See http://docs.ros.org/melodic/api/catkin/html/howto/format1/building_executables.html
# install(TARGETS ${PROJECT_NAME}_node
#   RUNTIME DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_BIN_DESTINATION}
# )

## Mark libraries for installation
## See http://docs.ros.org/melodic/api/catkin/html/howto/format1/building_libraries.html
# install(TARGETS ${PROJECT_NAME}
#   ARCHIVE DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_LIB_DESTINATION}
#   LIBRARY DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_LIB_DESTINATION}
#   RUNTIME DESTINATION ${CATKIN_GLOBAL_BIN_DESTINATION}
# )

## Mark cpp header files for installation
# install(DIRECTORY include/${PROJECT_NAME}/
#   DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_INCLUDE_DESTINATION}
#   FILES_MATCHING PATTERN "*.h"
#   PATTERN ".svn" EXCLUDE
# )

## Mark other files for installation (e.g. launch and bag files, etc.)
# install(FILES
#   # myfile1
#   # myfile2
#   DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_SHARE_DESTINATION}
# )

#############
## Testing ##
#############

## Add gtest based cpp test target and link libraries
# catkin_add_gtest(${PROJECT_NAME}-test test/test_demo01_hello_vscode.cpp)
# if(TARGET ${PROJECT_NAME}-test)
#   target_link_libraries(${PROJECT_NAME}-test ${PROJECT_NAME})
# endif()

## Add folders to be run by python nosetests
# catkin_add_nosetests(test)

2ROSファイルシステム関連のコマンド

ROSのファイルシステムは基本的にオペレーティングシステムファイルです。Linuxコマンドを使用してこれらのファイルを操作できます。ただし、ROSでのユーザーエクスペリエンスを向上させるために、ROSは特にLinuxに類似したいくつかのコマンドを提供します。これらのコマンドはLinuxネイティブコマンドと比較されます。簡潔で効率的。ファイル操作は、追加、削除、変更、確認、実行などの操作に過ぎません。次に、これらの5つの側面からROSファイルシステムの一般的なコマンドをいくつか紹介します。

1.増やす

 catkin_create_pkg 自定义包名 依赖包 === 创建新的ROS功能包
 sudo apt install xxx === 安装 ROS功能包

2.削除

 sudo apt purge xxx ==== 删除某个功能包

3.チェック

rospack list === 列出所有功能包

rospack find 包名 === 查找某个功能包是否存在，如果存在返回安装路径

roscd 包名 === 进入某个功能包

rosls 包名 === 列出某个包下的文件

apt search xxx === 搜索某个功能包

4.変更

rosedパッケージ名ファイル名===関数パッケージファイルの変更

vimをインストールする必要があります

rosed turtlesim Color.msg

5.実行

5.1roscore

roscore ===は、ROSシステムの前提条件ノードとプログラムのコレクションであり、ROSノードが通信できるようにするにはroscoreが実行されている必要があります。

roscoreが起動します：

ロスマスター
rosパラメータサーバー
rosoutログノード

使用法：

roscore

または（ポート番号を指定してください）

roscore -p xxxx

5.2rosrun

rosrunパッケージ名実行可能ファイル名===指定されたROSノードを実行します

といった：

rosrun turtlesim turtlesim_node

5.3roslaunch

roslaunch 包名 launch文件名 === 执行某个包下的 launch 文件

3ROS計算図

1.計算グラフの紹介

前回の紹介は、ディスク上のROSプログラムのストレージ構造であるROSファイル構造です。静的です。rosプログラムの実行後、さまざまなノードが複雑になります。ROSは実用的なツールrqt_graphを提供します。

rqt_graphは、現在のシステム操作を示す動的グラフを作成できます。ROS分散システムのさまざまなプロセスがデータを交換する必要があり、計算グラフはデータ交換プロセスをポイントツーポイントネットワークの形式で表すことができます。rqt_graphはrqtパッケージの一部です。

2.計算図のインストール

すべてのパッケージが初期段階でインストールされている場合は、ターミナルウィンドウに直接入力します

rosrun rqt_graph rqt_graph

インストールされていない場合は、ターミナルに入力してください

sudo apt install ros-<distro>-rqt
sudo apt install ros-<distro>-rqt-common-plugins

<distro>の代わりに、ROSバージョン名（例：キネティック、メロディック、ノエティックなど）を使用してください。

たとえば、現在のバージョンはNoeticで、ターミナルウィンドウに入力するだけです。

sudo apt install ros-noetic-rqt
sudo apt install ros-noetic-rqt-common-plugins

3.計算グラフのデモンストレーション

次に、ROSに組み込まれている小さなタートルケースを使用して、計算グラフを示します

まず、前に示したようにケースを実行します

次に、新しい端末を起動して、rqt_graphまたはrosrun rqt_graph rqt_graphと入力すると、次の図のようなネットワークトポロジ図が表示され、異なるノード間の関係を示すことができます。

1ROSファイルシステム

2ROSファイルシステム関連のコマンド

3ROS計算図

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