移动机器人的运行架构

移动机器人ROS架构分析

1.1小海龟仿真

ROS的核心概念不少，有节点、话题、消息、服务等，在实际机器人运行过程中，这些概念是如何体现的呢？

我们先来运行ROS系统一个经典的例程——小海龟。

请大家按照以下步骤进行操作。

1.首先，打开终端；

2.输入以下命令行，启动ROS Master：

$ roscore

3.启动成功后，打开一个新终端，输入以下命令行，启动小海龟仿真器，启动成功后，就会出现如图1-1所示的小海龟仿真器界面：

$ rosrun turtlesim turtlesim_node

4.再打开一个新的终端，输入以下命令行，启动海龟控制节点，大家可以通过键盘上上下左右键来控制小海龟运动：

$ rosrun turtlesim turtle_teleop_key

注意：在控制海龟运动的过程中一定要保证turtle_teleop_key节点终端在界面最前端的，如果其他终端在最前面就没有办法被终端读取到数据的。

小海龟功能是跑起来了，那这个例程是如何基于ROS的核心概念实现的呢？

接下来我们就分析一下例程背后的节点关系。

图1-1 小海龟仿真器界面

图1-2 启动海龟仿真器节点

图1-3 启动海龟控制节点

这里我们将用到ROS中一个重要的可视化调试工具——rosgraph，用来显示ROS运行中计算图，我们可以从上帝视角看到所有节点的运行关系。

图1-4 使用rqt_graph可视化工具查看系统中运行的计算图

接着上一个小海龟的例程，我们再来打开一个终端，输入以下命令行，启动rosgraph：

$ rqt_graph

启动完成后，即可看到如图1-4所示的计算图，这个界面会自动的监控当前运行的整个ROS系统，并且把里面的节点和节点间的关系动态的显示出来，其中椭圆表示节点，中间的箭头表示节点间的关系，箭头上的内容表示话题。

在这个例程中，我们分别启动了两个节点，一个是海龟仿真器，我们可以把它当成是一个虚拟的机器人，另外一个是键盘控制，用来控制机器人前后左右运动，两个节点在节点管理器的帮助下建立了数据通信，完成速度控制指令的传输。

1.2移动机器人运动控制

通过这个例程，我们需要理解节点在ROS中用来实现某些具体的功能，比如机器人的驱动、运动指令的发送等，节点之间可以通过话题将数据发送或接收。

小海龟毕竟是一个仿真的机器人，在实物机器人中是不是也类似呢，我们再来试一试。

接下来，我们来使用以下两句命令行启动LIMO机器人，并启动键盘控制节点，类似控制小海龟前后左右运动一样，我们也可以控制机器人运动。

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

再打开rosgraph工具看一下节点关系，我们可以直观的发现，此时系统中运行了三个节点，如图1-5所示。

图1-5 使用rqt_graph可视化工具查看节点关系

第一个是和控制海龟运动相同的键盘控制节点teleop_keybord，用来读取键盘的输入键值，并封装成cmd_vel这个速度话题发布出去。

第二个节点是类似小海龟仿真器一样，用来驱动LIMO机器人的底盘控制节点limo_base_node，它会订阅速度指令，当收到数据后，就会驱动机器人发生运动了。

从这张图中，我们可以清晰的看到这两个节点和他们之间的关系，更多节点也是类似，如果未来使用过程中某一环的数据没收到，我们就可以快速定位原因了。

teleop_keybord：读取键盘动作，发布速度控制指令

limo_base_node：机器人底盘控制节点，包含PID算法控制电机运动、订阅/cmd_vel话题

以上案例实现的功能相对简单，在一个实现众多应用功能的复杂机器人系统中，节点和话题的数量都会很多，类似如图1-6所示这样，除了底层嵌入式运动控制器中需要实现的功能外，ROS环境下会通过一系列节点分别完成雷达、相机这些传感器的驱动，发布数据话题后，上层的导航、建图、图像处理节点来订阅并进行相应的算法处理，再传输到监控的计算机，给可视化节点做显示。每个节点各司其职，在ROS Master这个节点管理器的统一协调下，有条不紊的完成各项任务。

整个ROS运行中的节点就像一个企业中不同部门的员工，每个人都有自己明确的工作，大家共同在CEO的组织下积少成多，合作完成一项非常复杂的任务。当然，每个人都不能掉队，一旦掉队就可能会影响最终任务的完成。

图1-6 移动机器人运行结构分析

审核编辑：刘清