ROS核心概念解析：从Node到Master，再到roslaunch的全面指南

Node

在ROS中，最小的进程单元就是节点（node）。一个软件包里可以有多个可执行文件，可执行文件在运行之后就成了一个进程(process)，这个进程在ROS中就叫做节点。 从程序角度来说，node就是一个可执行文件（通常为C++编译生成的可执行文件、Python脚本）被执行，加载到了内存之中；从功能角度来说，通常一个node负责者机器人的某一个单独的功能。由于机器人的功能模块非常复杂，我们往往不会把所有功能都集中到一个node上，而会采用分布式的方式，把鸡蛋放到不同的篮子里。

Master

由于机器人的元器件很多，功能庞大，因此实际运行时往往会运行众多的node，负责感知世界、控制运动、决策和计算等功能。那么如何合理的进行调配、管理这些node？这就要利用ROS提供给我们的节点管理器master, master在整个网络通信架构里相当于管理中心，管理着各个node。node首先在master处进行注册，之后master会将该node纳入整个ROS程序中。node之间的通信也是先由master进行“牵线”，才能两两的进行点对点通信。当ROS程序启动时，第一步首先启动master，由节点管理器处理依次启动node。

启动master和node

当我们要启动ROS时，首先输入命令:

$ roscore

此时ROS master启动，同时启动的还有rosout和parameter server,其中rosout是负责日志输出的一个节点，其作用是告知用户当前系统的状态，包括输出系统的error、warning等等，并且将log记录于日志文件中，parameter server即是参数服务器，它并不是一个node，而是存储参数配置的一个服务器。每一次我们运行ROS的节点前，都需要把master启动起来，这样才能够让节点启动和注册。

master之后，节点管理器就开始按照系统的安排协调进行启动具体的节点。节点就是一个进程，只不过在ROS中它被赋予了专用的名字—node。我们知道一个package中存放着可执行文件，可执行文件是静态的，当系统执行这些可执行文件，将这些文件加载到内存中，它就成为了动态的node。

具体启动node的语句是：

$ rosrun pkg_name node_name

通常我们运行ROS，就是按照这样的顺序启动，有时候节点太多，我们会选择用launch文件来启动。 Master、Node之间以及Node之间的关系如下图所示：

rosrun和rosnode命令

rosrun命令的详细用法如下：

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

rosrun将会寻找PACKAGE下的名为EXECUTABLE的可执行程序，将可选参数ARGS传入。

例如在GDB下运行ros程序：

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

rosnode命令的详细作用列表如下：

以上命令中常用的为前三个，在开发调试时经常会需要查看当前node以及node信息，所以请记住这些常用命令。如果想不起来，也可以通过rosnode help来查看rosnode命令的用法。

机器人是一个系统工程，通常一个机器人运行操作时要开启多个node，对于一个复杂的机器人的启动操作应该怎么做呢？当然，我们并不需要每个节点依次进行rosrun，ROS为我们提供了一个命令能一次性启动master和多个node。该命令是：

$ roslaunch pkg_name file_name.launch

roslaunch命令首先会自动进行检测系统的roscore有没有运行，也即是确认节点管理器是否在运行状态中，如果master没有启动，那么roslaunch就会首先启动master，然后再按照launch的规则执行。launch文件里已经配置好了启动的规则。 所以roslaunch就像是一个启动工具，能够一次性把多个节点按照我们预先的配置启动起来，减少我们在终端中一条条输入指令的麻烦。

launch文件同样也遵循着xml格式规范，是一种标签文本，它的格式包括以下标签：

<launch> <!--根标签-->

<node> <!--需要启动的node及其参数-->

<include> <!--包含其他launch-->

<machine> <!--指定运行的机器-->

<env-loader> <!--设置环境变量-->

<param> <!--定义参数到参数服务器-->

<rosparam> <!--启动yaml文件参数到参数服务器-->

<arg> <!--定义变量-->

<remap> <!--设定参数映射-->

<group> <!--设定命名空间-->

</launch> <!--根标签-->

launch文件的写法和格式看起来内容比较复杂，我们先来介绍一个最简单的例子如下：

<launch>

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

</launch>

文本中的信息是，它启动了一个单独的节点talker,该节点是包rospy_tutorials软件包中的节点。

然而实际中的launch文件要复杂很多，我们以Ros-Academy-for-Beginners中的robot_sim_demo为例：

<launch>

<!--arg是launch标签中的变量声明，arg的name为变量名，default或者value为值-->

<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用来嵌套仿真场景的launch文件-->

<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? --> <!--嵌套了机器人的launch文件-->

<include file="$(find robot_sim_demo)/launch/include/$(arg robot).launch.xml" />

<!--如果你想连同RViz一起启动，可以按照以下方式加入RViz这个node-->

<!--node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz" args="-d $(find robot_sim_demo)/urdf_gazebo.rviz" /-->

</launch>

这个launch文件相比上一个简单的例子来说，内容稍微有些复杂，它的作用是：启动gazebo模拟器，导入参数内容，加入机器人模型。

对于初学者，我们不要求掌握每一个标签是什么作用，但至少应该有一个印象。如果我们要进行自己写launch文件，可以先从改launch文件的模板入手，基本可以满足普通项目的要求。