數(shù)據(jù)通信與網(wǎng)絡技術 課件 第10章 智能機器人的操作系統(tǒng)

第10章智能機器人的操作系統(tǒng)本章提要機器人操作系統(tǒng)ROS點對點通信系統(tǒng)基本模型ROS通信系統(tǒng)10.1機器人操作系統(tǒng)ROSROS起源于2007年斯坦福大學人工智能實驗室的項目與機器人技術公司W(wǎng)illowGarage的個人機器人項目（PersonalRobotsProgram）之間的合作，2008年之后就由WillowGarage來進行推動。該項目研發(fā)的PR2機器人在ROS框架的基礎上可以完成打臺球、插插座、做早飯等驚人的功能，由此ROS引起了廣泛的關注。2010年，WillowGarage正式開放ROS源代碼，很快在機器人領域掀起了新的浪潮。圖10-1PR2機器人10.1機器人操作系統(tǒng)ROSROS英文全稱RobotOperatingSystem，即機器人操作系統(tǒng)。ROS由通信機制、開發(fā)工具、應用功能和生態(tài)系統(tǒng)四個部分組成。圖10-2ROS基本構成10.2點對點通信系統(tǒng)基本模型ROS的核心功能是提供一種軟件點對點的通信機制，其運行架構是一種基于Socket網(wǎng)絡連接的松耦合架構，在這個運行架構中包括一系列進程，這些進程可以駐留在多個不同的主機上并且在運行的過程中通過點對點的拓撲結構實現(xiàn)通信。圖10-3點對點通信系統(tǒng)基本模型10.2點對點通信系統(tǒng)基本模型各模塊作用如下：(1)信源把待傳輸?shù)南⑥D換成原始電信號；發(fā)送設備也稱為變換器，它將信源發(fā)出的信息變換成適合在信道中傳輸?shù)男盘?，使原始信號（基帶信號）適應信道傳輸特性的要求。(2)信道是傳遞信息的通道及傳遞信號的設施。按傳輸介質（又稱傳輸媒質）的不同，分為有線信道和無線信道（如微波通信、衛(wèi)星通信、無線接入等）；10.2點對點通信系統(tǒng)基本模型(3)接收設備的功能與發(fā)送設備相反，把從信道上接收的信號變換成信息接收者可以接收的信息，起著還原的作用；(4)受信者（信宿）是信息的接收者，將復原的原始信號轉換成相應的消息；(5)噪聲源是指系統(tǒng)內(nèi)各種干擾影響的等效結果。為便于分析，一般將系統(tǒng)內(nèi)所存在的干擾（環(huán)境噪聲、電子器件噪聲、外部電磁場干擾等）折合于信道中。10.3ROS通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)智能機器個體以及群體機器人協(xié)調(diào)工作中的一個重要組成部分。ROS將每個工作進程都看作是一個節(jié)點，使用節(jié)點管理器進行統(tǒng)一管理，并提供了一套消息傳遞機制，包括基于主題的異步數(shù)據(jù)流通信、基于服務的同步RPC通信和基于參數(shù)服務器的數(shù)據(jù)傳遞。程序運行時，所有進程以及他們所進行的數(shù)據(jù)處理，將會通過一種點對點的網(wǎng)絡形式表現(xiàn)出來。這一級主要包括幾個重要概念：節(jié)點（node）、消息（message）、主題（topic）、服務（service）節(jié)點管理器（ROSMaster）。10.3ROS通信系統(tǒng)1、節(jié)點節(jié)點就是一些執(zhí)行運算任務的進程。并能夠通過主題、服務、或參數(shù)服務器與其他節(jié)點進行通信。節(jié)點也可以被稱之為“軟件模塊”。使用“節(jié)點”使得基于ROS的機器人系統(tǒng)在運行的時候更加形象化：當許多節(jié)點同時運行時，可以很方便的將端對端的通訊繪制成一個圖表。10.3ROS通信系統(tǒng)2、消息節(jié)點之間是通過傳送消息進行通訊的。消息包含一個節(jié)點發(fā)送到其他節(jié)點的數(shù)據(jù)信息。消息有多種標準數(shù)據(jù)類型，例如整型，浮點型，布爾型等，同時用戶頁可以基于標準消息開發(fā)自定義消息類型。10.3ROS通信系統(tǒng)3、主題消息以一種發(fā)布/訂閱的方式傳遞。一個節(jié)點可以在一個給定的主題中發(fā)布消息。一個節(jié)點針對某個主題關注與訂閱特定類型的數(shù)據(jù)?？赡芡瑫r有多個節(jié)點發(fā)布或者訂閱同一個主題的消息。10.3ROS通信系統(tǒng)4、服務在Web服務中，使用客戶端/服務器（C/S）模型，客戶端發(fā)送請求數(shù)據(jù)，服務器完成處理后返回應答數(shù)據(jù)，是十分有效的同步傳輸模式。在ROS中，服務用于請求應答模型，必須擁有一個唯一的名稱。當一個節(jié)點提供某個服務時，所有的節(jié)點都可以使用ROS客戶端庫編寫的代碼與之通信。10.3ROS通信系統(tǒng)5、節(jié)點管理器在上面概念的基礎上，需要有一個控制器可以使所有節(jié)點有條不紊的執(zhí)行，這就是一個ROS的控制器（ROSMaster）。ROSMaster通過RPC（RemoteProcedureCallProtocol，遠程過程調(diào)用）提供了登記列表和對其他計算圖表的查找。沒有控制器，節(jié)點將無法找到其他節(jié)點，交換消息或調(diào)用服務。10.3.1基于主題的異步數(shù)據(jù)流通信ROS通過主題實現(xiàn)發(fā)布訂閱模型的消息傳遞，在主題通信中，發(fā)布者發(fā)布的數(shù)據(jù)通過主題傳遞給訂閱者，訂閱者不需要反饋給發(fā)布者是否收到消息，一個主題上可以擁有多個發(fā)布者和訂閱者，同時一個節(jié)點也可以發(fā)布或者訂閱多個主題。主題的名稱必須具有唯一性，否則在同名主題之間的消息路由就會發(fā)生錯誤。圖10-4發(fā)布者、訂閱者和主題之間的關系10.3.1基于主題的異步數(shù)據(jù)流通信為了確保正常的數(shù)據(jù)流交換，ROS通過節(jié)點管理器Master來管理發(fā)布者與訂閱者，使得發(fā)布者的消息可以正確的發(fā)送給訂閱者，因此每當有一個新的發(fā)布者或者訂閱者產(chǎn)生時，都必須在Master上注冊信息。當發(fā)布者在Master上注冊時，Master會保存發(fā)布者的URI（統(tǒng)一資源標識符）和發(fā)布者發(fā)布的主題。圖10-5基于主題的數(shù)據(jù)流通信過程10.3.1基于主題的異步數(shù)據(jù)流通信(1)Talker注冊(2)Listener注冊(3)Master進行信息匹配(4)Listener發(fā)送連接請求(5)Talker確認連接請求(6)Listener與Talker建立網(wǎng)絡連接(7)Talker與Listener數(shù)據(jù)通信ROS的主題通信支持TCPR和UDPS兩種通信協(xié)議，基于主題的數(shù)據(jù)流通信一般包含以下七個流程。10.3.2基于服務的同步RPC通信基于服務的同步RPC通信也需要通過XMLRPC在Master上注冊服務，客戶端節(jié)點通過XMLRPC在Master上尋找與服務對應的服務器端節(jié)點，然后與其建立TCP連接，進行數(shù)據(jù)流通信。圖10-6基于服務的同步RPC通信流程10.3.3基于參數(shù)服務器的數(shù)據(jù)傳遞參數(shù)服務器是ROS上一種共享的多變量參數(shù)字典，一般用來存儲一些靜態(tài)的非二進