この記事は、ROSについてまとめてみる #1の続きです。
＊尚、この記事の記載内容はROS1に関するものです。

アーキテクチャ

ROSの詳細なアーキテクチャに関しては、こちらの本がとても分かりやすくまとめられています。(indigo)

ROSプログラミング(森北出版株式会社)
https://www.morikita.co.jp/books/book/3010

この本では、ROSのアーキテクチャを

• ファイルシステムレベル
• コンピュテーショングラフレベル
• コミュニティレベル

の三つに分けて記載しているので、本記事でもそれに則ってまとめていこうかと思います。

＊2020/12/18追記
　公式にも、Conceptとして同様の記述がありました。
http://wiki.ros.org/ja/ROS/Concepts

まずは、ファイルシステムから。

ファイルシステム

ワークスペース

ROSでプロジェクトを作成する際は、まずワークスペースを作成します。
そのワークスペースに対してパスを通すことで、各種ツールが使えるようになるわけです。
ワークスペース以下の構成はだいたいこんな感じです。

catkin_ws/
 ├ build
 ├ devel
 └ src

ROSでのモジュールの基本単位はパッケージです。
開発者は、独自のパッケージや、gitからクローンしてきたパッケージを、/src以下に配置します。
その後、ビルドを行うことで、/build内にバイナリ、/devel内に実行ファイルなどが生成されます。

パッケージ

パッケージはROSでの最小単位であり、おおよそ以下のような構成となります。

package/
    ├ bin/
    ├ include/
    ├ src/
    │  ├ code1.cpp
    │  └ code2.cpp
    ├ scripts/
    │  ├ script1.py
    │  └ script2.py
    ├ launch/
    │  ├ launch1.launch
    │  └ launch2.launch
    ├ msg/
    ├ srv/
    ├ CMakeList.txt
    └ package.xml

内容はこんな感じ

• include/
  .hファイルとかを置きます。
• src/
  ソースコードを置きます。
• scripts/
  Bashファイルや.pyファイルなどの実行ファイルを置きます。
• launch/
  .launchファイルを置きます。
  (ROSには、roslaunchというノードを一斉に起動するツールがあり、それが実行時に読み込むファイルです)
• msg/
  メッセージの型を定義するファイルを置きます。
  (ROSでは独自のデータタイプを定義することもできます。その場合、ここにその定義を記したファイルを置きます。)
• srv/
  上のmsgと同様、サービスの型を定義するファイルを置きます。
• CMakeLists.txt
  CMake用のビルドファイルです。
  (ROSではcatkin_make, catkin buildを介して読み込まれるのが一般的です。)
• package.xml
  パッケージの基本的な情報が記載されます。パッケージ名、ライセンス情報、依存関係、コンパイルのフラグなどです。

基本的にはC++で作成する一般的なプロジェクトの沿っているのかな？と思います。
実体のあるロボットの場合は、メッシュ(.stl, .dae)や機構のデータ(.urdf, .xacro)などもあるかもしれません。
ここに記載されていないフォルダやファイルがあったり、なかったりするかもしれませんが、おおよそこんな感じになっているはずです。
ROSではこのような単位をpackageとして扱い、管理しています。
こうすることでrospackやcatkin_makeなどのツールが使えるようになったり、rosbashの各種コマンドが使えるようになったりします。

ビルドシステム

現在のROSでは、デフォルトでcatkin_makeというビルドツールがインストールされます。
これはCMakeのマクロとPythonスクリプトを組み合わせたROS専用のビルドシステムで、先述のパッケージに対してビルドを行います。
現在は並列ビルドが可能になったり、いろいろ便利になったcatkin buildという新しいビルドシステムがあり、そちらへ移行が進んでいます。

roscore

roscoreは、rosのノードがお互いにメッセージを通信できるよう、ノードに接続情報を提供するサービスです。Web系やってた人なら、WebRTCとかがイメージに近いかと思います。また、パラメーターサーバーという、グローバルから見える多変量辞書のようなサービスも提供しており、静的なパラメータを格納するのに使われます。

メッセージ

ROSの分散システムを実現している目玉機能。ROSではトピック通信と呼びます。
ROSでは、一つのプロセスの単位をノードと呼びます。(ROS2ではスレッド単位らしいです)
ノードは、起動時にroscoreに自分の配信(publish)するトピックと、購読(subscribe)したいトピックを登録します。
あとはroscoreが相手のピアを見つけてくれるので、それ以降はノード同士のピアツーピアの通信となります。
後からノードを追加した場合なども、roscoreがよしなにやってくれます。
メッセージのデータ型に関しても、標準的なものは用意されており、複数言語での実装でも問題のないように取り決められています。これらのデータ型は独自に設定が可能な上、headerにタイムスタンプやフレームIDを持たせることもでき、メッセージの時系列的な管理もできます。

サービス

ROSでは、上記のメッセージのようなPub/Sub型の通信のみでなく、Req/Rep型(クライアント-サーバ型)の通信も提供しています。サービスとは、あるノードが提供する関数(サービス)を、他のノードが利用する仕組みのことです。
使用頻度が高くなく、短い時間で処理が終わるものに適しています。
センサーのスイッチを入れたり、シャッターを押したりといったような操作などです。

#3へつづく

参考

ROS講座64 ROSパッケージのディレクトリ構成
https://qiita.com/hatt_takumi/items/2cbaab30a237fca24357

ROS
http://wiki.ros.org/

プログラミングROS(O'Reilly Japan)
https://www.oreilly.co.jp/books/9784873118093/

ROSプログラミング(森北出版株式会社)
https://www.morikita.co.jp/books/book/3010