ROS系列之ROS使用和开发的常用工具/API

当前，ROS（Robot Operating System）系统已成为一种“标准”，可以提供丰富的工具，搭建模块间的桥梁，使团队协作更加便捷。ROS广泛支持多种类型的机器人，吸引了众多开发者进行科研与实际应用项目，形成了庞大的社区。本系列文章根据Momenta M4U技术负责人陈凯的分享整理，旨在介绍ROS相关概念、使用与开发的常用工具/API。

系列文章·ROS通信底层

通信底层包括基础概念。本文的ROS指ROS1，即当前最常用的ROS版本。ROS构建了一个连接所有进程的网络，通过这个网络，节点间完成交互，获取其他节点发布的信息。在ROS网络中，Master作为单个路由器，提供名字管理、参数服务器等服务，以树形结构实现参数查询，类似Linux文件系统。节点是ROS网络中的进程，具有唯一的名字，实现P2P通信，无需关心对方位置，只需在共同的Topic上使用消息通信。

消息（Message）是节点间传递的信息，具有多对多特性，不需关注生产或消费节点，仅需Topic名称与类型确定即可使用或生产。服务（Service）是节点间的远程过程调用，实现一对一通信，由发起者发送参数，响应者计算结果并返回，过程异步。

在ROS中，Msg与Srv具有唯一的名字与类型，语言无关，因为有一个更高层次的封装。消息传输方式对节点透明，主要通过网络，与语言无关。ROS还支持不同文件格式传输，如图像的自动压缩与解压，以及Nodelet功能，实现进程内零拷贝，优化大消息传输，降低延迟。

·Rosrun/Roslaunch

Rosrun用于运行特定package下的节点，通常为可执行文件或脚本。在运行时，可通过命令行动态改变要发布的Topic名称，实现灵活调整。对于复杂机器人操作，Roslaunch提供一次性启动master与多个node的功能，自动检测系统状态，启动master后按配置规则执行launch文件，简化启动流程。

Topic tools允许对消息进行实时处理，调整Topic内容格式，如relay、drop丢弃帧、throttle限制幅度或transform使用表达式处理消息。这些功能提供强大的命令工具，优化消息处理。

·Rosparam

Rosparam是一个重要的分布式参数服务器，通过XMLRPC在Master中实现，对网络中所有节点可见。它提供参数查询与修改的通用接口，没有权限控制，通过XMLRPC操作。

use_sim_time参数默认为false，与Rosbag配合使用，是离线调试的重要工具。

·ROS Time&Duration

在ROS中，时间由Epoch Time表示，统一为两个整数表示的秒与纳秒。时间运算直观，支持比较、加减与组合，用于控制与数据处理。

·ROS::Time()vsROS::WallTime()

ROS Time与Wall Time有本质区别。ROS Time表示ROS网络时间，可人为修改，实现暂停、加速与减速功能；Wall Time为墙上时间，不可更改，仅向前流动。在开启Node前设置use_sim_time为true，Node可从clock Topic获取时间，实现时间控制效果。

·rosbag

任何ROS消息类型都可被rosbag打包为文件，实现离线回放与调试。rosbag支持同时播放多个文件，按时间顺序播放，配合参数如-s跳过特定时间点、--clock控制clock消息发布、-r调节播放速度，实现灵活控制。

·消息的时间戳同步

通过消息的时间戳，实现时间戳同步。Header包含frame id与时间戳stamp，用于时间戳软同步。Exact Time与Approximate Time是同步策略，前者确保严格同步，后者在处理不同频率传感器数据时提供方便，但可能导致部分数据丢失。

·Nodelet

Nodelet将节点功能由单进程提升至线程，实现进程内零拷贝，优化消息处理。发布时需给定参数，允许线程间直接访问指针，减少代价。但消息发出后不能修改，避免读写冲突。Nodelet简化代码复用，减少迁移成本。

·Nodes间消息传递

节点间传递消息涉及网络传输，涉及Serialization、缓冲化与Deserialization，产生内存拷贝代价。ROS一代引入Nodelet优化消息传递。Nodelet允许在单进程中运行多个Node，实现进程间高效数据传输与资源管理。

·TF（Transform）

TF是ROS中核心工具库，处理不同坐标系间的转换。支持国际单位制，实现空间与时间转换。TF作为树形结构，维护坐标系连通性，提供高效转换功能。PR2机器人案例展示了多坐标系的复杂转换，实现空间与时间信息的融合。

TF功能包括发布与查询坐标系转换，支持空间与时间转换，实现传感器信息融合、机器人本体定位与交互。TF2版本对Python支持更好，建议直接使用TF2 API。

·TF使用示例

TF在传感器配准、云台与电机运动控制、机器人本体与传感器融合等方面提供强大支持。示例包括传感器坐标系转换与局部障碍物跟踪，实现检测结果的时空融合。

·Rviz可视化工具

Rviz提供简洁直观的可视化界面，自动处理Topic消息，展示检测结果、传感器信息与机器人状态。支持二次开发，通过插件系统轻松扩展功能，如3D可视化、动态障碍物跟踪与机器人本体展示。

·rqt可视化框架

rqt是一个基于Qt的ROS可视化工具，提供Plot、Node信息查看等功能，帮助开发者监控与调试节点状态，优化算法与系统性能。

ROS资源丰富，包括远程调用的action系统、点云数据库、物理仿真工具、机械臂运动规划库与工业应用领域。ROS在多个领域持续发展，但仍面临多机器人协同、小型嵌入式设备支持等挑战。ROS2项目旨在解决生产环境中的关键问题，提高系统可靠性和性能，但目前仍处于开发阶段。

ROS系统提供广泛工具与资源，为机器人研究与应用提供了强大支持。随着技术进步与社区发展，ROS将持续演进，适应更广泛的机器人应用场景。

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