ROS中的通訊方式有四種，主題、服務、引數伺服器、動作庫。

 Node

在ROS的世界裡，最小的程序單元就是節點（node）。一個軟體包裡可以有多個可執行檔案，可執行檔案在執行之後就成了一個程序(process)，這個程序在ROS中就叫做節點。 從程式角度來說，node就是一個可執行檔案（通常為C++編譯生成的可執行檔案、Python指令碼）被執行，載入到了記憶體之中；從功能角度來說，通常一個node負責者機器人的某一個單獨的功能。由於機器人的功能模組非常複雜，我們往往不會把所有功能都集中到一個node上，而會採用分散式的方式，把雞蛋放到不同的籃子裡。例如有一個node來控制底盤輪子的運動，有一個node驅動攝像頭獲取影象，有一個node驅動鐳射雷達，有一個node根據感測器資訊進行路徑規劃……這樣做可以降低程式發生崩潰的可能性，試想一下如果把所有功能都寫到一個程式中，模組間的通訊、異常處理將會很麻煩。

我們在1.4節打開了小海龜的運動程式和鍵盤控制程式，在1.5節同樣啟動了鍵盤運動程式，這每一個程式便是一個node。ROS系統中不同功能模組之間的通訊，也就是節點間的通訊。我們可以把鍵盤控制替換為其他控制方式，而小海龜運動程式、機器人模擬程式則不用變化。這樣就是一種模組化分工的思想。

3.1.2 Master

由於機器人的元器件很多，功能龐大，因此實際執行時往往會執行眾多的node，負責感知世界、控制運動、決策和計算等功能。那麼如何合理的進行調配、管理這些node？這就要利用ROS提供給我們的節點管理器master, master在整個網路通訊架構裡相當於管理中心，管理著各個node。node首先在master處進行註冊，之後master會將該node納入整個ROS程式中。node之間的通訊也是先由master進行“牽線”，才能兩兩的進行點對點通訊。當ROS程式啟動時，第一步首先啟動master，由節點管理器處理依次啟動node。

3.1.3 啟動master和node

當我們要啟動ROS時，首先輸入命令:

$ roscore

此時ROS master啟動，同時啟動的還有rosout和parameter server,其中rosout是負責日誌輸出的一個節點，其作用是告知使用者當前系統的狀態，包括輸出系統的error、warning等等，並且將log記錄於日誌檔案中，parameter server即是引數伺服器，它並不是一個node，而是儲存引數配置的一個伺服器，後文我們會單獨介紹。每一次我們執行ROS的節點前，都需要把master啟動起來，這樣才能夠讓節點啟動和註冊。

master之後，節點管理器就開始按照系統的安排協調進行啟動具體的節點。節點就是一個程序，只不過在ROS中它被賦予了專用的名字裡——node。在第二章我們介紹了ROS的檔案系統，我們知道一個package中存放著可執行檔案，可執行檔案是靜態的，當系統執行這些可執行檔案，將這些檔案載入到記憶體中，它就成為了動態的node。具體啟動node的語句是：

$ rosrun pkg_name node_name

通常我們執行ROS，就是按照這樣的順序啟動，有時候節點太多，我們會選擇用launch檔案來啟動，下一小節會有介紹。 Master、Node之間以及Node之間的關係如下圖所示：

3.1.3 rosrun和rosnode命令

rosrun命令的詳細用法如下：

$ rosrun [--prefix cmd] [--debug] pkg_name node_name [ARGS]

rosrun將會尋找PACKAGE下的名為EXECUTABLE的可執行程式，將可選引數ARGS傳入。 例如在GDB下執行ros程式：

$ rosrun --prefix 'gdb -ex run --args' pkg_name node_name

rosnode命令的詳細作用列表如下：

以上命令中常用的為前三個，在開發除錯時經常會需要檢視當前node以及node資訊，所以請記住這些常用命令。如果你想不起來，也可以通過rosnode help來檢視rosnode命令的用法。

 launch檔案

3.2.1 簡介

機器人是一個系統工程，通常一個機器人執行操作時要開啟很多個node，對於一個複雜的機器人的啟動操作應該怎麼做呢？當然，我們並不需要每個節點依次進行rosrun，ROS為我們提供了一個命令能一次性啟動master和多個node。該命令是：

$ roslaunch pkg_name file_name.launch

roslaunch命令首先會自動進行檢測系統的roscore有沒有執行，也即是確認節點管理器是否在執行狀態中，如果master沒有啟動，那麼roslaunch就會首先啟動master，然後再按照launch的規則執行。launch檔案裡已經配置好了啟動的規則。 所以roslaunch就像是一個啟動工具，能夠一次性把多個節點按照我們預先的配置啟動起來，減少我們在終端中一條條輸入指令的麻煩。

3.2.2 寫法與格式

launch檔案同樣也遵循著xml格式規範，是一種標籤文字，它的格式包括以下標籤：

<launch>    <!--根標籤-->
<node>    <!--需要啟動的node及其引數-->
<include>    <!--包含其他launch-->
<machine>    <!--指定執行的機器-->
<env-loader>    <!--設定環境變數-->
<param>    <!--定義引數到引數伺服器-->
<rosparam>    <!--啟動yaml檔案引數到引數伺服器-->
<arg>    <!--定義變數-->
<remap>    <!--設定引數對映-->
<group>    <!--設定名稱空間-->
</launch>    <!--根標籤-->

參考連結:http://wiki.ros.org/roslaunch/XML

3.2.3 示例

launch檔案的寫法和格式看起來內容比較複雜，我們先來介紹一個最簡單的例子如下：

<launch>
<node name="talker" pkg="rospy_tutorials" type="talker" />
</launch>

這是官網給出的一個最小的例子，文字中的資訊是，它啟動了一個單獨的節點talker,該節點是包rospy_tutorials軟體包中的節點。

然而實際中的launch檔案要複雜很多，我們以Ros-Academy-for-Beginners中的robot_sim_demo為例：

<launch>
<!--arg是launch標籤中的變數宣告，arg的name為變數名，default或者value為值-->
<arg name="robot" default="xbot2"/>
<arg name="debug" default="false"/>
<arg name="gui" default="true"/>
<arg name="headless" default="false"/>

<!-- Start Gazebo with a blank world -->
<include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch"> <!--include用來巢狀模擬場景的launch檔案-->
<arg name="world_name" value="$(find robot_sim_demo)/worlds/ROS-Academy.world"/>
<arg name="debug" value="$(arg debug)" />
<arg name="gui" value="$(arg gui)" />
<arg name="paused" value="false"/>
<arg name="use_sim_time" value="true"/>
<arg name="headless" value="$(arg headless)"/>
</include>

<!-- Oh, you wanted a robot? --> <!--嵌套了機器人的launch檔案-->
<include file="$(find robot_sim_demo)/launch/include/$(arg robot).launch.xml" />

<!--如果你想連同RViz一起啟動，可以按照以下方式加入RViz這個node-->
<!--node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz" args="-d $(find robot_sim_demo)/urdf_gazebo.rviz" /-->
</launch>

這個launch檔案相比上一個簡單的例子來說，內容稍微有些複雜，它的作用是：啟動gazebo模擬器，匯入引數內容，加入機器人模型。

小結

對於初學者，我們不要求掌握每一個標籤是什麼作用，但至少應該有一個印象。如果我們要進行自己寫launch檔案，可以先從改launch檔案的模板。

 Topic

3.3.1 簡介

ROS的通訊方式是ROS最為核心的概念，ROS系統的精髓就在於它提供的通訊架構。ROS的通訊方式有以下四種：

• Topic 主題
• Service 服務
• Parameter Service 引數伺服器
• Actionlib 動作庫

3.3.2 Topic

ROS中的通訊方式中，topic是常用的一種。對於實時性、週期性的訊息，使用topic來傳輸是最佳的選擇。topic是一種點對點的單向通訊方式，這裡的“點”指的是node，也就是說node之間可以通過topic方式來傳遞資訊。topic要經歷下面幾步的初始化過程：首先，publisher節點和subscriber節點都要到節點管理器進行註冊，然後publisher會發布topic，subscriber在master的指揮下會訂閱該topic，從而建立起sub-pub之間的通訊。注意整個過程是單向的。其結構示意圖如下：

Subscriber接收訊息會進行處理，一般這個過程叫做回撥(Callback)。所謂回撥就是提前定義好了一個處理函式（寫在程式碼中），當有訊息來就會觸發這個處理函式，函式會對訊息進行處理。

上圖就是ROS的topic通訊方式的流程示意圖。topic通訊屬於一種非同步的通訊方式。下面我們通過一個示例來了解下如何使用topic通訊。

3.3.3 通訊示例

參考下圖，我們以攝像頭畫面的釋出、處理、顯示為例講講topic通訊的流程。在機器人上的攝像頭拍攝程式是一個node（圓圈表示,我們記作node1），當node1執行啟動之後，它作為一個Publisher就開始釋出topic。比如它釋出了一個topic（方框表示），叫做/camera_rgb，是rgb顏色資訊，即採集到的彩色影象。同時，node2假如是影象處理程式,它訂閱了/camera_rgb這個topic，經過節點管理器的介紹，它就能建立和攝像頭節點（node1）的連線。

那麼怎麼樣來理解“非同步”這個概念呢？在node1每釋出一次訊息之後，就會繼續執行下一個動作，至於訊息是什麼狀態、被怎樣處理，它不需要了解；而對於node2影象處理程式，它只管接收和處理/camera_rgb上的訊息，至於是誰發來的，它不會關心。所以node1、node2兩者都是各司其責，不存在協同工作，我們稱這樣的通訊方式是非同步的。

ROS是一種分散式的架構，一個topic可以被多個節點同時釋出，也可以同時被多個節點接收。比如在這個場景中使用者可以再加入一個影象顯示的節點，我們在想看看攝像頭節點的畫面，則可以用自己的筆記本連線到機器人上的節點管理器，然後在自己的電腦上啟動影象顯示節點。

這就體現了分散式系統通訊的好處：擴充套件性好、軟體複用率高。

總結三點：

1. topic通訊方式是非同步的，傳送時呼叫publish()方法，傳送完成立即返回，不用等待反饋。
2. subscriber通過回撥函式的方式來處理訊息。
3. topic可以同時有多個subscribers，也可以同時有多個publishers。ROS中這樣的例子有：/rosout、/tf等等。

3.3.4 操作命令

在實際應用中，我們應該熟悉topic的幾種使用命令，下表詳細的列出了各自的命令及其作用。

如果你一時忘記了命令的寫法，可以通過rostopic help或rostopic command -h檢視具體用法。

3.3.5 測試例項

1. 首先開啟ROS-Academy-for-Beginners的模擬場景，輸入roslaunch robot_sim_demo robot_spawn_launch,看到我們模擬的模擬環境。該launch檔案啟動了模擬場景、機器人。
2. 檢視當前模擬器中存在的topic，輸入命令rostopic list。可以看到許多topic，它們可以視為模擬器與外界互動的介面。
3. 查詢topic/camera/rgb/image_raw的相關資訊：rostopic info /camera/rgb/image_raw。則會顯示型別資訊type，釋出者和訂閱者的資訊。
4. 上步我們在演示中可以得知，並沒有訂閱者訂閱該主題，我們指定image_view來接收這個訊息，執行命令rosrun image_view image_view image:=<image topic> [transport]。我們可以看到message，即是上一步中的type。
5. 同理我們可以查詢攝像頭的深度資訊depth影象。
6. 在用鍵盤控制模擬機器人運動的時候，我們可以檢視速度指令topic的內容rostopic echo /cmd_vel ，可以看到視窗顯示的各種座標引數在不斷的變化。

通過這些例項的測試，幫助我們更快的掌握topic各種操作命令的使用，以及對topic通訊的理解。

小結

topic的通訊方式是ROS中比較常見的單向非同步通訊方式，它在很多時候的通訊是比較易用且高效的。但是有些需要互動的通訊時該方式就顯露出自己的不足之處了，後續我們會介紹雙向同步的通訊方式service。

topic有很嚴格的格式要求，比如上節的攝像頭程序中的rgb影象topic，它就必然要遵循ROS中定義好的rgb影象格式。這種資料格式就是Message。Message按照定義解釋就是topic內容的資料型別，也稱之為topic的格式標準。這裡和我們平常用到的Massage直觀概念有所不同，這裡的Message不單單指一條釋出或者訂閱的訊息，也指定為topic的格式標準。

3.4.2 結構與型別

基本的msg包括bool、int8、int16、int32、int64(以及uint)、float、float64、string、time、duration、header、可變長陣列array[]、固定長度陣列array[C]。那麼具體的一個msg是怎麼組成的呢？我們用一個具體的msg來了解，例如上例中的msg sensor_msg/image,位置存放在sensor_msgs/msg/image.msg裡,它的結構如下：

std_msg/Header header
    uint32    seq
    time    stamp
    string    frame_id
uint32    height
uint32    width
string    encoding
uint8    is_bigendian
uint32    step
uint8[]    data

觀察上面msg的定義，是不是很類似C語言中的結構體呢？通過具體的定義影象的寬度，高度等等來規範影象的格式。所以這就解釋了Message不僅僅是我們平時理解的一條一條的訊息，而且更是ROS中topic的格式規範。或者可以理解msg是一個“類”，那麼我們每次釋出的內容可以理解為“物件”，這麼對比來理解可能更加容易。 我們實際通常不會把Message概念分的那麼清，通常說Message既指的是類，也是指它的物件。而msg檔案則相當於類的定義了。

3.4.2 操作命令

rosmsg的命令相比topic就比較少了，只有兩個如下：

本小節主要介紹常見的message型別，包括std_msgs, sensor_msgs, nav_msgs, geometry_msgs等

Vector3.msg

#檔案位置:geometry_msgs/Vector3.msg

float64 x
float64 y
float64 z

Accel.msg

#定義加速度項，包括線性加速度和角加速度
#檔案位置:geometry_msgs/Accel.msg
Vector3 linear
Vector3 angular

Header.msg

#定義資料的參考時間和參考座標
#檔案位置:std_msgs/Header.msg
uint32 seq      #資料ID
time stamp      #資料時間戳
string frame_id #資料的參考座標系

Echos.msg

#定義超聲感測器
#檔案位置:自定義msg檔案
Header header
uint16 front_left
uint16 front_center
uint16 front_right
uint16 rear_left
uint16 rear_center
uint16 rear_right

Quaternion.msg

#訊息代表空間中旋轉的四元數
#檔案位置:geometry_msgs/Quaternion.msg

float64 x
float64 y
float64 z
float64 w

Imu.msg

#訊息包含了從慣性原件中得到的資料，加速度為m/^2，角速度為rad/s
#如果所有的測量協方差已知，則需要全部填充進來如果只知道方差，則
#只填充協方差矩陣的對角資料即可
#位置：sensor_msgs/Imu.msg

Header header
Quaternion orientation
float64[9] orientation_covariance
Vector3 angular_velocity
float64[9] angular_velocity_covariance
Vector3 linear_acceleration
float64[] linear_acceleration_covariance

LaserScan.msg

#平面內的鐳射測距掃描資料，注意此訊息型別僅僅適配鐳射測距裝置
#如果有其他型別的測距裝置(如聲吶)，需要另外建立不同型別的訊息
#位置：sensor_msgs/LaserScan.msg

Header header            #時間戳為接收到第一束鐳射的時間
float32 angle_min        #掃描開始時的角度(單位為rad)
float32 angle_max        #掃描結束時的角度(單位為rad)
float32 angle_increment    #兩次測量之間的角度增量(單位為rad)
float32 time_increment    #兩次測量之間的時間增量(單位為s)
float32 scan_time        #兩次掃描之間的時間間隔(單位為s)
float32 range_min        #距離最小值(m)
float32 range_max        #距離最大值(m)
float32[] ranges        #測距資料(m,如果資料不在最小資料和最大資料之間，則拋棄)
float32[] intensities    #強度，具體單位由測量裝置確定，如果儀器沒有強度測量，則陣列為空即可

Point.msg

#空間中的點的位置
#檔案位置:geometry_msgs/Point.msg

float64 x
float64 y
float64 z

Pose.msg

#訊息定義自由空間中的位姿資訊，包括位置和指向資訊
#檔案位置:geometry_msgs/Pose.msg

Point position
Quaternion orientation

PoseStamped.msg

#定義有時空基準的位姿
#檔案位置：geometry_msgs/PoseStamped.msg

Header header
Pose pose

PoseWithCovariance.msg

#表示空間中含有不確定性的位姿資訊
#檔案位置：geometry_msgs/PoseWithCovariance.msg

Pose pose
float64[36] covariance

Power.msg

#表示電源狀態，是否開啟
#檔案位置：自定義msg檔案
Header header
bool power
######################
bool ON  = 1
bool OFF = 0

Twist.msg

#定義空間中物體運動的線速度和角速度
#檔案位置：geometry_msgs/Twist.msg

Vector3 linear
Vector3 angular

TwistWithCovariance.msg

#訊息定義了包含不確定性的速度量，協方差矩陣按行分別表示：
#沿x方向速度的不確定性，沿y方向速度的不確定性，沿z方向速度的不確定性
#繞x轉動角速度的不確定性，繞y軸轉動的角速度的不確定性，繞z軸轉動的
#角速度的不確定性
#檔案位置：geometry_msgs/TwistWithCovariance.msg

Twist twist
float64[36] covariance  #分別表示[x; y; z; Rx; Ry; Rz]

Odometry.msg

#訊息描述了自由空間中位置和速度的估計值
#檔案位置：nav_msgs/Odometry.msg

Header header
string child_frame_id
PoseWithCovariance pose
TwistWithCovariance twist