前言

??你好，我是辰chen，本文旨在準(zhǔn)備考研復(fù)試或就業(yè)
??本文內(nèi)容是我為復(fù)試準(zhǔn)備的第二個(gè)項(xiàng)目
??歡迎大家的關(guān)注，我的博客主要關(guān)注于考研408以及AIoT的內(nèi)容
?? 預(yù)置知識(shí)：基本Python語法，基本linux命令行使用

以下的幾個(gè)專欄是本人比較滿意的專欄(大部分專欄仍在持續(xù)更新)，歡迎大家的關(guān)注：

??ACM-ICPC算法匯總【基礎(chǔ)篇】
??ACM-ICPC算法匯總【提高篇】
??AIoT(人工智能+物聯(lián)網(wǎng))
??考研
??CSP認(rèn)證考試歷年題解

機(jī)器人簡(jiǎn)介

機(jī)器人應(yīng)用與前景

生活中的應(yīng)用：

工業(yè)應(yīng)用：

ROS元老機(jī)器人 – PR2：

NASA 將機(jī)器人部署到空間站：

智駕成為汽車核心賣點(diǎn)之一：

機(jī)器人形態(tài)

輪式機(jī)器人：

腿式機(jī)器人：

輪腿機(jī)器人：

無人機(jī)：

機(jī)械臂：

機(jī)器人的構(gòu)成

? 傳感器：機(jī)器人的感官，決定了能獲取到哪些外部信息。類比人的視覺、觸覺、聽覺等。
? 算法和邏輯：內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理。比如用深度學(xué)習(xí)算法識(shí)別物體、傳感器融合定位、業(yè)務(wù)邏輯等。
? 執(zhí)行器：機(jī)器人向外的輸出，決定了能完成哪些任務(wù)。類比人的手、腳、語言、動(dòng)作等。

? 機(jī)器人是復(fù)雜系統(tǒng)，包含一系列協(xié)同工作的軟件硬件。各個(gè)傳感器、算法、業(yè)務(wù)邏輯、執(zhí)行器之間，有復(fù)雜的依賴關(guān)系。

ROS基礎(chǔ)

ROS的作用和特點(diǎn)

機(jī)器人開發(fā)的難題

1. 組件眾多，依賴關(guān)系復(fù)雜。如何兼顧靈活性、魯棒性和性能？
2. 組件可能由不同語言編寫，如何協(xié)同運(yùn)行？
3. 某些功能（如建圖、導(dǎo)航等）很多機(jī)器人都需要有，如何方便的復(fù)用？
4. 如何調(diào)試、記錄機(jī)器人運(yùn)行時(shí)的大量數(shù)據(jù)？

ROS的作用-提高軟件復(fù)用

1. 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的設(shè)計(jì)
2. 多語言支持
3. 豐富的工具包

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的設(shè)計(jì)：

? 分布式的節(jié)點(diǎn)單元
? RPC + TCP/UDP 通信系統(tǒng)
? 支持多機(jī)器協(xié)同（分布式系統(tǒng)）
? 各個(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)立編譯、啟動(dòng)

遠(yuǎn)程過程調(diào)用（英語：Remote Procedure Call，RPC）是一個(gè)計(jì)算機(jī)通信協(xié)議。該協(xié)議允許運(yùn)行于一臺(tái)計(jì)算機(jī)的程序調(diào)用另一個(gè)地址空間（通常為一個(gè)開放網(wǎng)絡(luò)的一臺(tái)計(jì)算機(jī)）的子程序，而程序員就像調(diào)用本地程序一樣，無需額外地為這個(gè)交互作用編程（無需關(guān)注細(xì)節(jié)）。

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是ROS中最重要的一個(gè)概念，其中關(guān)鍵在于節(jié)點(diǎn)。一個(gè)系統(tǒng)可能由多個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，我們可以理解成每一個(gè)程序都是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，或者說每一個(gè)主函數(shù)都是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間是相互獨(dú)立的，節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間，不一定運(yùn)行在同一個(gè)物理機(jī)器上，它可以是一個(gè)分布式的系統(tǒng)，對(duì)于分布式系統(tǒng)而言，通信就是重中之重。如上圖所示，有三大塊，代表著不同的設(shè)備：用戶電腦，服務(wù)器，機(jī)器人；其中每一個(gè)橢圓都代表著一個(gè)節(jié)點(diǎn)，他們是可以跑在不同的電腦上的。

比如我給出一個(gè)導(dǎo)航任務(wù)，簡(jiǎn)單說明其部分運(yùn)作流程：在我們的用戶電腦上運(yùn)行一個(gè)節(jié)點(diǎn)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)用來獲取用戶的輸入，比如輸入一個(gè)坐標(biāo)，這就是這個(gè)節(jié)點(diǎn)的作用，當(dāng)我們獲得了這個(gè)輸入之后，我們可以把該坐標(biāo)傳遞給下一個(gè)節(jié)點(diǎn)，也就是進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間的通信，如上圖所示，下一個(gè)節(jié)點(diǎn)為路徑規(guī)劃算法，它拿到了坐標(biāo)之后還不夠，還需要地圖，地圖服務(wù)器也就另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)就不是運(yùn)行在用戶電腦上了，而是運(yùn)行在服務(wù)器上，它們之間就是網(wǎng)絡(luò)通信，所以即便不在一個(gè)機(jī)器上，我們也可以通過網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行協(xié)同的工作，也就是運(yùn)行在一個(gè)分布式系統(tǒng)中。

簡(jiǎn)而言之，可以理解成為各自都有一個(gè)主函數(shù)，各自是獨(dú)立運(yùn)行的，它們都會(huì)去遵循同一個(gè)通訊協(xié)議，所以說它們之間能夠傳遞信息。這就是ROS的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)設(shè)計(jì)。

多語言支持:

? 支持 Python，C++，Java等語言
? 提供語言無關(guān)的數(shù)據(jù)接口定義

所謂語言無關(guān)，如上圖所示，它是一個(gè)Image（圖像）的數(shù)據(jù)格式，我們知道，在cpp中，如果要存儲(chǔ)一個(gè)圖像，可以用數(shù)組或者vector來存，但這些東西在Python中是沒有的，所謂語言無關(guān)的數(shù)據(jù)定義接口，就是更為抽象的一層，就是用它來標(biāo)識(shí)我這個(gè)圖像里面有何種信息。

比如上圖中有圖像的高度、圖像的寬度…并且也說明了信息是哪種數(shù)據(jù)類型，如 uint32, string, uint8...，但這些數(shù)據(jù)類型并不是具體的某一種語言里面的數(shù)據(jù)類型，而是ROS提供的一種語言無關(guān)的數(shù)據(jù)類型，在之后編譯中會(huì)根據(jù)不同的語言轉(zhuǎn)換成為對(duì)應(yīng)語言的相應(yīng)數(shù)據(jù)類型，ROS幫我們實(shí)現(xiàn)了其中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

豐富的工具包:

? 3D數(shù)據(jù)可視化：Rviz
? 物理環(huán)境仿真：Gazebo
? Qt可視化工具箱：rqt_*

以上工具包我們很快就會(huì)用到，先簡(jiǎn)單略過

ROS的運(yùn)行機(jī)制

ROS機(jī)制-計(jì)算圖

? 節(jié)點(diǎn)：軟件模塊，可以訂閱/發(fā)布 Topic，調(diào)用/創(chuàng)建 Service
? ROS Master：控制中心，整個(gè)系統(tǒng)有且只有一個(gè)。負(fù)責(zé)鏈接各個(gè)節(jié)點(diǎn)、管理參數(shù)等
? Topic：異步通信，傳輸消息
? Service：同步通信，類似函數(shù)調(diào)用

我們說過，最重要的就是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，這是如何實(shí)現(xiàn)的呢？下作介紹：

先來補(bǔ)充一個(gè)概念：計(jì)算圖，上面提到的圖：

也可以看做成一個(gè)計(jì)算圖。

下面我們拿下圖舉例：

該圖中的每一個(gè)橢圓都是ROS rqt_*的工具箱自動(dòng)生成的，一些節(jié)點(diǎn)之間的通信關(guān)系可以自動(dòng)的生成這樣的圖來給我們查看，每個(gè)橢圓都是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，一個(gè)箭頭就代表著他們之間有一個(gè)消息的通信。

已經(jīng)講過，每一個(gè)橢圓都代表著一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以訂閱或者發(fā)布一個(gè) Topic，也可以調(diào)用或者創(chuàng)建一個(gè) Service，下面分別介紹 Topic 與 Service：

Topic 和 Service 都是節(jié)點(diǎn)之間的通訊方式

? Topic:
是一種傳輸信息的異步通信

Publisher就是Topic的發(fā)布者，如上圖所示，Topic的名字(example)，它會(huì)有一個(gè)數(shù)據(jù)類型(String)，這里就是語言無關(guān)的數(shù)據(jù)類型，它會(huì)有一些 Subscriber 也就是接收者(可以有多個(gè)接收者)，這些接收者只需要訂閱了名字為 example 的這個(gè) Topic，它就與 Publisher 建立連接了，此后 Publisher 每次發(fā)送消息，Subscriber 都會(huì)收到，即其實(shí)是一個(gè)單向的連接，該連接是異步的，也就是 Publisher 發(fā)出去就發(fā)出去了，至于 Subscriber 收到與否，處理速度的快慢，有沒有及時(shí)收到，都不會(huì)給 Publisher 進(jìn)行反饋，類似一種廣播。

? Service:
類似函數(shù)調(diào)用，是一種同步通信

和我們請(qǐng)求服務(wù)器一樣，它有一個(gè) Service Server，有一個(gè) Service Client，Client 發(fā)送請(qǐng)求，然后 Server 再返回請(qǐng)求，是一個(gè)同步的通信模式。

ROS機(jī)制-Topic

? 指定名稱和數(shù)據(jù)類型
? 創(chuàng)建流程

1. Talker、Listener 向 Master 注冊(cè)（發(fā)布/訂閱哪個(gè)Topic）
2. Master 向 Listener 發(fā)送 Talker 信息
3. Listener 向 Talker 建立網(wǎng)絡(luò)連接
4. Talker 向 Listener 發(fā)布數(shù)據(jù)

? 一個(gè) Topic 可以有多個(gè)發(fā)布者，也可以有多個(gè)訂閱者。如多個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以向“警告” Topic 發(fā)布信息；定位節(jié)點(diǎn)和路徑規(guī)劃節(jié)點(diǎn)同時(shí)訂閱“地圖”Topic
? 同一個(gè) Topic 的所有發(fā)布和訂閱，都要用同一種數(shù)據(jù)類型

繼續(xù)介紹一下建立一次 Topic 的通信流程：

首先，我們要指定這個(gè) Topic 的名稱和數(shù)據(jù)類型，這兩個(gè)是必須要定義的，假設(shè)有一個(gè) Talker 一個(gè) Listener，其實(shí)就是上述中的 Publisher 和 Subscriber，它們會(huì)向 ROS Master 進(jìn)行注冊(cè)，也就是上述的全局唯一的控制節(jié)點(diǎn)，Talker 會(huì)告訴 Master，現(xiàn)在想要接收一個(gè) Topic 并且告訴這個(gè) Topic 叫什么以及數(shù)據(jù)類型是什么，Master 會(huì)記住這些信息，當(dāng)它收到 Listener 向它發(fā)布的請(qǐng)求，即想要獲得哪個(gè) Topic 的時(shí)候，如果 Topic 已經(jīng)存在，如已有一各 Talker 發(fā)布了，Master 會(huì)把 Talker 的信息發(fā)送給 Listener，此時(shí) Listener 就知道了 Talker 的信息，如知道了 Talker 的 IP 地址，端口號(hào)是什么，Listener 就可以主動(dòng)地去聯(lián)系 Talker，告訴我要訂閱你發(fā)布的 Topic，同時(shí) Talker 也會(huì)記下來 Listener，這樣下一次 Talker 發(fā)布數(shù)據(jù)的時(shí)候就會(huì)直接把數(shù)據(jù)傳遞給 Listener。對(duì)于同一個(gè) Topic，所有的發(fā)布和訂閱都必須用同一種數(shù)據(jù)類型，不然的話就會(huì)報(bào)錯(cuò)：Master 會(huì)告訴你，這個(gè) Topic 不是這個(gè)類型的，并拒絕你的請(qǐng)求。

每個(gè) Topic 可以有多個(gè)發(fā)布者 Talker(Publisher)，也可以有多個(gè)訂閱者 Listener(Subscriber)，多個(gè)訂閱者是比較常見的，舉一個(gè)多個(gè)發(fā)布者的例子：系統(tǒng)中可能有一個(gè) Topic 叫警告，觸發(fā)警告可能有多種：溫度過高，速度過快…，有的節(jié)點(diǎn)是用來測(cè)量溫度的，有的節(jié)點(diǎn)是用來測(cè)量速度的，那么這些節(jié)點(diǎn)都可以向警告這個(gè) Topic 發(fā)布信息。
多個(gè)訂閱者的例子：比如 地圖Topic，它可以同時(shí)被定位和路徑規(guī)劃的節(jié)點(diǎn)所訂閱。

ROS機(jī)制-Service

? 指定名稱和 Service 類型，Service 類型中指定了調(diào)用數(shù)據(jù)類型和返回?cái)?shù)據(jù)類型
? 調(diào)用流程

1. Talker 向 Master 注冊(cè) Service
2. Listener 向 Master 請(qǐng)求 Service
3. Master 向 Listener 發(fā)送 Talker 信息
4. Listener 向 Talker 請(qǐng)求 Service，傳遞調(diào)用參數(shù)
5. Talker 返回?cái)?shù)據(jù)

首先也是要指定，指定名稱和 Service 類型，注意 Service 類型，因?yàn)樗怯衼碛谢氐模淮握{(diào)用就是一個(gè)過程，不像 Topic，只要建立了連接，每一次talker有新的數(shù)據(jù)，都會(huì)發(fā)送給 Listener（Topic ：假如 talker 是一個(gè)攝像頭，幀率是三十幀每秒，那么一旦有了一個(gè) Listener，就會(huì)以每秒 30次的速率向 Listener 發(fā)送信息；Service ：只是一次調(diào)用過程）

一個(gè)調(diào)用的數(shù)據(jù)類型就類似于函數(shù)的一個(gè)參數(shù)，與此還會(huì)有一個(gè)返回?cái)?shù)據(jù)類型即返回值，這兩個(gè)一起組成了一個(gè) Service 類型

調(diào)用流程與 Topic 類似，首先是注冊(cè)，Talker 也就是 Service Server，Listener 也就是 Service Client，它們?cè)趧?chuàng)建的時(shí)候都需要向 Master 注冊(cè)，Master 就會(huì)記住，誰定義了哪個(gè) Service，誰要請(qǐng)求哪個(gè) Service，當(dāng)有請(qǐng)求的時(shí)候，Master 會(huì)向 Listener 發(fā)送 Talker 的信息，Listener 就知道了 Talker 的信息，就可以直接和 Talker 建立通信，來完成一次請(qǐng)求。

可以把 Service 類比為函數(shù)調(diào)用，一次調(diào)用就是傳入一次參數(shù)，返回一次數(shù)據(jù)。Service 主要作用并不是傳遞數(shù)據(jù)，而是觸發(fā)/調(diào)用某些邏輯之類的作用

ROS機(jī)制-參數(shù)

1. Talker 向 Master 設(shè)置參數(shù)
2. Master 存儲(chǔ)參數(shù)
3. Listener 向 Master 查詢參數(shù)
4. Master 返回參數(shù)

ROS機(jī)制-文件系統(tǒng)

?xxx_ws：工作空間根目錄，項(xiàng)目的基本單位
?xxx_ws/src：各種代碼存放位置，我們只需要修改src中的文件
? xxx_ws/build 和 xxx_ws/devel：編譯生成的文件夾，存放目標(biāo)文件、依賴項(xiàng)等，開發(fā)時(shí)一般不用管
? src中每個(gè)功能包：

1. package.xml：功能包的元數(shù)據(jù)（名稱、版本、作者、依賴項(xiàng)等）
2. CMakeLists.txt：編譯配置文件
3. 其他可選文件夾（src, msg, srv, launch等）

ROS常用命令

加 -h 參數(shù)查看幫助，如 rosrun -h

上述所有內(nèi)容出處如下，博主在此基礎(chǔ)上僅為添加個(gè)人理解：
本項(xiàng)目為北大團(tuán)隊(duì)出品【項(xiàng)目三：深度學(xué)習(xí)&仿真機(jī)器人 - 丘丘老師】原創(chuàng)（部分代碼為開源代碼）。課程團(tuán)隊(duì)：B站ID【M學(xué)長的考研top幫】UID【3546580235848566】復(fù)試項(xiàng)目班QQ大群：885884619，負(fù)責(zé)人QQ：674799975文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-805329.html

到了這里，關(guān)于仿真機(jī)器人-深度學(xué)習(xí)CV和激光雷達(dá)感知(項(xiàng)目2)day03【機(jī)器人簡(jiǎn)介與ROS基礎(chǔ)】的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！