Основные концепции системы ROS
В ROS используются три уровня концепции: уровень файловой системы, уровень вычислительного графа, уровень сообщества ROS. Ниже приведено краткое описание этих концепций. Полное описание на английском языке находится по адресу http://wiki.ros.org/ROS/Concepts. Дополнительно в ROS определены два типа имён: Имена ресурсов пакета (Package Resource Names) и Граф Имён Ресурсов (Graph Resource Names) – которые описаны ниже.
Файловая система ROS
Концепция файловой системы ROS в основном относится к ресурсам ROS, находящимся на диске, таким как:
Пакеты (Packages): Пакет – основная единица организации программного обеспечения в ROS. В основном пакет содержит выполняемые процессы ROS (узлы или ноды - nodes), библиотеки на основе ROS, наборы данных, конфигурационные файлы и прочие полезные данные. Пакет – это минимальная единица для компиляции и релиза в ROS.
Метапакеты (Metapackages): Метапакеты – это специализированные Пакеты, используемые для группировки других взаимосвязанных Пакетов. Используются также для обратной совместимости.
Манифесты Пакетов (Package Manifests): Манифест (package.xml) содержит данные о пакете, включая имя, версию, описание, информацию о лицензировании, зависимости и прочую информацию, такую как экспортируемые пакеты.
Репозитории (Repositories): набор пакетов, принадлежащих одной и той же версии. Пакеты одной и той же системы контроля версий и одинаковой версии могут выпускаться вместе с помощью инструмента автоматизации релизов bloom (http://wiki.ros.org/bloom). Репозиторий также может содержать только один пакет.
Типы сообщений (Message types): описание сообщений, хранится в my_package/msg/MyMessageType.msg, определяет структуры данных для сообщений, передаваемых в ROS.
Типы сервисов (Service types): описание сервисов, хранится в my_package/srv/MyServiceType.srv, определяет структуры данных для запроса и ответа сервисов в ROS.
Граф вычислений ROS
Граф вычислений ROS – это одноранговая сеть процессов ROS, обрабатывающих данные. Основные понятия, связанные с графом вычислений – это ноды (nodes), Мастер (Master), Сервер Параметров (Parameter Server), сообщения (messages), сервисы (services), топики (topics), контейнеры (bags). Все эти сущности передают данные для вычислительного графа ROS разными способами.
Ноды (Nodes): Ноды – это процессы, выполняющие вычисления. Системы использующие ROS состоят из модулей, система управления роботом включает в себя множество нод. Например, одна нода управляет лазерным дальномером, другая – моторами колёс, третья нода определяет положение в пространстве, четвёртая планирует траекторию движения, пятая предоставляет графическое представление системы, и т.д. ROS ноды разрабатывают с использованием клиентских библиотек ROS, таких как roscpp или rospy.
Мастер (Master): Мастер-процесс ROS обеспечивает регистрацию имён и наблюдение за всем вычислительным графом. Без мастер-процесса ноды не смогли бы найти друг друга, обмениваться сообщениями или вызывать сервисы.
Сервер параметров (Parameter Server): Сервер параметров позволяет хранить данные с доступом по ключу в централизованном хранилище. В настоящее время Сервер Параметров является частью Мастера.
Сообщения (Messages): Ноды обмениваются даннми посредством передачи Сообщений. Сообщение – это структура данных, состоящая из структурированных полей. Поддерживаются стандартные примитивные типы (integer, floating point, boolean, и т.д.), а также и массивы из них. Сообщение может содержать произвольные вложенные структуры и массивы (очень похоже на структуры в языке С).
Топики (Topics): Сообщения передаются через транспортную систему через механизм публикации/подписки. Нода отправляет сообщение, публикуя (publish) его в определённом Топике. Топик – это имя, идентифицирующее содержание сообщения. Нода, заинтересованная в определённых данных, осуществляет подписку (subscribe) на соответствующий Топик. Для одного топика может существовать несколько параллельно публикующиъ/подписанных на него Нод, равно как и одна Нода может публиковать сообщения в и/или подписываться на несколько Топиков. В общес случае, публикаторы/подписчики не оказывают влияния друг на друга. Идея заключается в отделении производства информации от её использования. Логически Топик может быть представлен как строго типизированная шина сообщений. У каждой шины есть наименование, и любой элемент может подсоединиться к шине для получения и отправки сообщений соответствующего типа.
Сервисы (Services): Модель публикации/ подписки является очень гибкой, но её схема односторонней передачи сообщений «многие-многим» не подходит для взаимодействий типа «запрос-ответ», которые часто нужны в распределённой системе. Механизм «запрос-ответ» реализован через Сервисы. Сервис определяется парой структур сообщений – одна для запроса и одна для ответа. Нода предоставляет сервис, используя определённое Имя сервиса, клиент использует сервис, отправляя сообщение-запрос и ожидая ответа. Клиентские библиотеки ROS обычно представляют это взаимодействие для программиста в виде вызова удалённой процедуры.
Контейнеры (Bags): Контейнеры предоставляют форматы для записи и воспроизведения потоков ROS-сообщений. Контейнеры являются важным механизмом для записи данных, например, данных с сенсоров, которые трудно собрать, но необходимо сохранять для разработки и тестирования алгоритмов.
Мастер ROS играет роль сервера имён в Вычислительном графе ROS. Он хранит информацию о Топиках и Сервисах для ROS-нод. Ноды сообщают Мастеру свою регистрационную информацию. В процессе коммуникации с Мастером Ноды могут получать информацию о других зарегистрированных Нодах, устанавливать с ними связь. Мастер также осуществляет обратные вызовы к Нодам, когда регистрационная информация меняется, что позволяет одам динамически устанавливать связи по мере запуска новых Нод.
Ноды связываются с другими Нодами напрямую. Мастер только предоставляет информацию для поиска, подобно DNS серверу. Ноды, которые подписываются на топик, запрашивают связь с Нодами, которые публикуют данные в этот топик, и устанавливают эту связь через соответсвующий согласованный протокол. Наиболее часто используемый протокол – TCPROS, он использует стандартные TCP/IP сокеты.
Такая архитектура обеспечивает раздельное функционирование системы, в которой посредством распределений имён могут быть построены большие сложные распределённые системы. Имена играют важнейшую роль в ROS: ноды, топики, сервисы и параметры все имеют имена. Каждая клиентская ROS-библиотека поддерживает переназначение (remapping) имён с помощью инструментов командной строки, т.е. скомпилированная программа может быть переконфигурирована во время выполнения для обработки различной топологии Вычислительного графа.
Например, для контроля лазерного дальномера мы запускаем драйвер hokuyo_node, который опрашивает лазер и публикует sensor_msgs/LaserScan сообщения в топик scan. Дла обработки этих данных, мы можем написать, используя пакет laser_filters, ноду, которая подписывается на сообщения топика scan. После подписки наш фильтр автоматически начнёт получать сообщения от лазера.
Теперь о том, как происходит разделение. Нода hokuyo_node только публикует сообщения, не зная о том, подписан ли на них кто либо. Нода фильтра только подписывается на сообщения топика, не зная о том, публикует ли кто-то туда сообщения. Обе ноды могут быть запущены, остановлены, перезапущены, в любом порядке, не порождая при этом ошибок.
Далее мы можем добавить роботу другой лазерный дальномер, поэтому нужно переконфигурировать систему. Всё что нужно при этом – переназначить (remap) используемые имена. При запуске ноды hokuyo_node мы можем вместо имени scan переназначить имя base_scan. B то же самое сделать с нодой – фильтром. Теперь обе эти ноды будут связаны с использованием топика base_scan, и перестанут обрабатывать сообщение тописа scan. После этого мы можем запустить ещё одну ноду hokuyo_node для нового лазерного дальномера.
Last updated