ROS Master多设备连接

Rorsion2025-04-07 11:56

Bash Shell

Shell是位于用户与操作系统内核之间的桥梁，当用户在终端敲入命令后，这些输入首先会进入内核中的tty子系统，TTY子系统负责捕获并处理终端的输入输出流，确保数据正确无误的在终端和系统内核之中。Shell在此过程不仅仅是一个监听者，还会积极地从tty子系统读取用户的命令输入，并对其进行解析来识别用户意图(比如当你输入ls时，是Shell解析这个命令并调用/bin/ls文件的来直接解析)。Bash Shell（基础 shell）是 Linux/Unix 系统中用户与操作系统内核交互的基本命令行界面，它是系统启动后为用户提供的默认命令解释器环境。

Bash和Shell其实是包含关系。Shell是命令行解释器的统称 ，有Bash、Zsh、Fish、Dash等多种命令行解释器，Bash是Shell的最流行方式，Ubuntu系统默认使用的也是Bash，当然你可以通过在终端中输入特定命令行可以切换(一般这几种命令行解释器的命令是兼容的，但是存在一些语法和交互功能的差异)，一般使用Bash就足够了。

Bash Shell与终端不同点：Bash Shell是命令行解释器程序，终端则是输入输出设备/界面。可以理解为终端是"显示器+键盘"，而Bash是运行在这个显示器上的"智能程序"。一般的执行流程是-------你在终端输入命令 → 终端将输入传给Shell → Shell解释执行 → 结果返回终端显示

交互式Shell与非交互式Shell

简单来说，交互式Shell用户可以 直接输入命令 并 实时看到输出 的 Shell，会显示 PS1 提示符（如 user@host:~$），等待用户输入。比较常见的场景：1，直接打开终端 2，通过 SSH 登录后手动操作 （如 ssh [email protected] 后进入 Shell3，手动运行 bash -i（强制交互模式）

非交互式Shell，不等待用户输入 ，直接执行 单条命令 后退出，所以说一般是看不到的，不会显示 PS1 提示符 ，执行完命令后立即关闭。比较常见的场景：1，通过 ssh user@host "command" 远程执行命令。2，使用 Python paramiko.exec_command("command")。3，运行 Shell 脚本（如 bash script.sh），如果输入bash -i script.sh会强制交互式

登录式Shell和非登录式Shell

登录式 Shell 的关键特征是：

  1. 以用户身份初始化完整的登录会话（加载登录配置文件，如 ~/.bash_profile）。

  2. 通常出现在系统首次登录时（如 SSH 登录、本地终端登录、su - username）。

.sh脚本文件

我们平常为了方便而写的脚本文件，实际上就是一个纯文本文件，包含一系列 Shell 命令 （如 Bash、Zsh 等支持的语法），将需要手动逐条输入的命令，预先整体写入文件，实现 自动化执行。比如，以下脚本文件(文件名demo.sh)，Shell解析器就会一行一行的解析每一行(即每一条)内容。

bash 复制代码 
#!/bin/bash
echo "Hello World"
ls -l
date

执行的.sh文件的方式有以下几种

  1. bash demo.sh：显式指定解释器(bash)，启动一个新的子 Shell 进程 来执行脚本。直接调用 /bin/bash 程序，将 demo.sh 作为参数传递给它，忽略 Shebang 行(即首行的#!/bin/bash**)**。
  2. ./demo.sh:依赖脚本首行的 Shebang（如 #!/bin/bash）。与bash的区别还有重要的一点就是bash demo.sh不需要赋予文件执行权限，而./demo.sh必须赋予文件执行权限
  3. source demo.sh（也可以简写为. demo.sh）:不启动子Shell，直接在当前 Shell 进程中逐行执行脚本，并且会忽视Shebang。脚本中定义的变量、函数、别名等会影响当前 Shell。而前两种执行方式脚本中定义的变量、函数不会影响当前 Shell 环境。一般用于加载环境配置，比如
bash 复制代码 
# 加载环境配置（如 ~/.bashrc）
source ~/.bashrc

# 脚本中修改当前 Shell 的工作目录
source change_dir.sh  # 脚本内容: cd /some/path

在交互式Shell和非交互式Shell说到过，bash 运行Shell脚本时会启动一个非交互式Shell，也就是启动一个新的子Shell来运行这个脚本，并且这个子Shell进程是非交互式的Shell，执行完毕后，控制权返回给父 Shell。而source不会启动子Shell，所以说它会在当前的交互式Shell运行。

.bashrc文件

.bashrc 文件是 Linux 系统中非常重要的配置文件 ，它与是否安装 ROS 无关，是 Bash shell的标准配置文件(它是一个纯文本文件，使用 Bash 语法 编写)，"rc" 通常代表 "run commands" (运行命令)。文件名中的点(.)表示它是隐藏文件，在Linux系统用户主目录下，按ctrl+h键可以显示隐藏文件。

.bashrc的内容语法(完全遵循Bash语法)：

  1. export PATH="$PATH:/my/custom/path" 变量定义。用来设置环境变量，影响所有子进程
  2. alias ll='ls -alF' 起别名，在终端输入ll就相当于输入ls -alF
  3. greet() { echo "Hello, $USER!"; } 函数定义
  4. if [ -d ~/projects ]; then
    echo "Projects directory exists"
    fi 条件循环判断

.bashrc如何运行？

当启动非登录的交互式 Bash shell 时，打开新的终端时，通过bash命令启动新的Shell时，.bashrc文件都会自动启动

必须需要注意的是在非交互式Shell中默认不会自动加载.bashrc ，也就是说你在使用bash执行脚本时在新打开的Shell子进程中不会加载.bashrc也就不会启动对应的环境(但是子进程会继承父进程的环境变量)。在交互式Shell中默认会加载.bashrc (因为 ~/.bash_profile 或 ~/.profile 通常会显式调用 .bashrc)。登录式Shell会加载 ~/.bash_profile 或 ~/.profile，~/.bash_profile 或 ~/.profile 通常会显式调用 .bashrc所以.bashrc也会自动调用。非登录式Shell不会加载配置文件。

其实在非交互式Shell不会自动加载.bashrc，这是因为.bashrc的开头有以下代码。这表示：仅当Shell是交互式时 ，才继续执行后续内容。非交互式Shell会直接return退出，也就是说即使你在非交互式Shell单独调用source ~/.bashrc，也不会加载.bashrc的配置内容。这是为了避免用户自定义配置影响自动化任务而设置的，为了安全起见也不要试图去修改它！！！

XML 复制代码 
case $- in
    *i*) ;;
      *) return;;
esac

除此之外还有.bash_profile和.profile文件。.bashrc在非登录的交互式Bash Shell(不需要重新认证的子会话，如图形终端新建窗口、bash 命令启动等，直接继承父 Shell 的环境变量) 自动加载；.bash_profile**在Bash登录Shell(需要用户认证的完整会话,如系统登录、SSH 连接等，全新环境（会重新读取配置）)**自动加载，也就是说.bash_profile登录时一次性设置。.profile是在所有Shell的登录会话都会加载，但是前提是.bash_profile不存在。也就是说只有在用户使用Bash并且存在./bash_profile时才会跳过.profile的加载，如果用户使用其他命令解释器则会自动加载.profile，所以说.profile是跨 Shell 的通用环境变量。

1，网络配置

确保所有设备(PC端，嵌入式端等等)连接在同一个局域网下，在每台设备的终端输入ifconfig查看IP地址，由于不同网络下IP地址经常改变，所有推荐将每台设备设置为静态IP地址。

使用ping命令测试各PC之间的连通性，如果都能ping通后就可以开始下一步了

2，环境变量配置

在所有PC上编辑~/.bashrc文件，添加以下环境变量：

bash 复制代码 
export ROS_MASTER_URI=http://<master_ip>:11311  # 主机的IP地址。ROS 默认使用 11311 端口 作为 roscore 的通信端口，这是由 ROS 的设计者设定的标准配置。
export ROS_IP=<local_ip>  # 本机的IP地址
export ROS_HOSTNAME=<local_ip>  # 本机的IP地址

然后执行

bash 复制代码 
source ~/.bashrc

3，主机名解析

主机名解析就是将上面的ROS_MASTER_URI=http://<master_ip>:11311中的master_ip用一个名字来代替，比如master-pc=192.168.1.1，这时只需要将192.168.1.1替换为master-pc即可，类似于变量赋值。当然，你也可以直接输入为192.168.1.1而不需要主机解析，但是这样的话如果主机的ip地址频繁变换，就需要在每个从机的./bashrc中重新修改主机的ip地址，从机数量少的话还可以，从机数量多的话就会很麻烦。

主机名解析的实现方式一般有以下几种：

1，使用/etc/hosts文件：

首先，在所有参与ROS通信的计算机上编辑/etc/hosts文件，添加所有ROS计算机的IP和主机名映射，格式如下：

bash 复制代码 
192.168.1.100   master-pc
192.168.1.101   slave1-pc
192.168.1.102   slave2-pc

保存文件后测试解析：

bash 复制代码 
ping master-pc
ping slave1-pc

但是这种方式看起来是使用了主机解析，但它只是增强了可读性，而没有解决频繁手动修改IP的缺点，如果 Master 的 IP 地址变了，还是需要手动修改所有从机的/etc/hosts文件的配置

2，使用DNS：

DNS一般是用于学校或者企业，适用于本地有DNS服务器或路由器支持DNS绑定的场景

在路由器或 DNS 服务器上，将主机名（如 master-pc）绑定到 Master 的 IP。所有从机自动通过 DNS 解析 master-pc，无需手动改 IP。这样IP地址变动时，只需改DNS记录所有从机自动生效

3，使用mDNS:

适用于小型网络，如实验室或者家用

确保所有机器安装 avahi-daemon（Linux 默认通常已安装）：

bash 复制代码 
sudo apt install avahi-daemon  # Ubuntu/Debian

直接使用 .local 主机名（无需配置 /etc/hosts）：

bash 复制代码 
export ROS_MASTER_URI=http://master-pc.local:11311

4，使用静态DHCP绑定：

适用于家用/实验室路由器支持DHCP静态绑定的场景

在路由器后台，将 Master 的 MAC 地址绑定到一个固定 IP（如 192.168.1.100）。所有从机直接用这个 IP，因为 Master 的 IP 永远不会变。

4，防火墙配置

UFW（Uncomplicated Firewall）是一款基于 iptables 的简单易用的防火墙配置工具，广泛应用于基于 Debian 和 Ubuntu 的 Linux 系统中，用于管理和配置网络防火墙规则。UFW 支持允许或拒绝特定的网络连接。即使系统中没有安装 UFW，也不意味着没有防火墙阻拦网络连接。UFW 只是一个简化的防火墙管理工具，而在 Linux 系统中，底层的防火墙功能通常由 iptables 或 nftables 实现(iptables 是 Linux 系统中强大的防火墙配置工具，但它的命令复杂，规则编写难度较大，对普通用户不太友好。UFW 则提供了一种简化的接口，使用户可以用更直观、简洁的命令来管理防火墙规则,比如，启用防火墙只需执行sudo ufw enable，而使用 iptables 则需要编写多条复杂的命令)。

先使用命令查看防火墙配置工具ufw是否安装

bash 复制代码 
dpkg -l | grep ufw

如果 ufw 已经安装，会显示相关的软件包信息；如果没有任何输出，说明 ufw 未安装。此时需要输入命令进行安装：

bash 复制代码 
sudo apt update
sudo apt install ufw

安装后查看防火墙活跃状态

bash 复制代码 
 sudo ufw status

如果输出Status: inactive，表示防火墙处于未启用状态，网络端口处于相对开放状态，外界可以直接访问系统暴露的端口。

如果防火墙处于活跃状态，则需要确保所有PC的防火墙允许ROS通信（默认端口11311）

bash 复制代码 
sudo ufw allow 11311/tcp

就能允许外部设备通过 22 端口（通常用于 SSH 服务）访问本地系统

5，测试连接

在主PC上启动ROS Master：

bash 复制代码 
roscore

在其他PC上测试连接：

bash 复制代码 
rostopic list

如果连接成功，会显示 Master 上已发布的 Topic 列表。如果 Master 刚启动 roscore，默认只有 /rosout 和 /rosout_agg

bash 复制代码 
$ rostopic list
/rosout
/rosout_agg

6，同步时间

需要时可以选用此功能

在ROS多机通信中，**时间同步（Time Synchronization）**是一个关键但容易被忽视的配置。指的是让所有参与ROS通信的计算机保持高度一致的系统时间（最好误差在毫秒级）。

通常使用NTP来实现时间同步 ：

NTP是一种网络协议，用于同步计算机的系统时间，计算机通过NTP客户端从时间服务器（如ntp.ubuntu.com）获取精确时间，局域网内通常可达毫秒级同步

基本原理

NTP（Network Time Protocol）实现时间同步的原理是一个分层、多源校正的精密时间同步体系，其核心设计目标是在不可靠的网络环境中实现高精度的时间同步（局域网内通常可达毫秒级，理想条件下可达亚毫秒级）。

NTP采用层级化的时间源结构，类似于金字塔：

  • Stratum 0

    最顶层，直接连接原子钟、GPS或铯钟等高精度物理时钟设备，不直接参与网络通信。

    • 示例：实验室原子钟、卫星时间信号。

  • Stratum 1

    直接与Stratum 0设备同步的NTP服务器（时间误差通常<100μs）。

    • 示例：国家授时中心服务器、Google的time.google.com。

  • Stratum 2

    从Stratum 1同步的服务器，误差逐层递增（每层增加约1ms）。

    • 示例：企业级NTP服务器、公共NTP池（如pool.ntp.org）。

  • Stratum 3及以下

    更低层级的同步节点，适用于普通客户端设备。

NTP通过以下四个时间戳计算时间偏差（Clock Offset ）和网络延迟（Round-Trip Delay）：

假设客户端（A）与服务器（B）交互：

  1. T₁：客户端发送请求时的本地时间（A的时钟）。

  2. T₂：服务器收到请求时的本地时间（B的时钟）。

  3. T₃：服务器回复响应时的本地时间（B的时钟）。

  4. T₄：客户端收到响应时的本地时间（A的时钟）。

最终时间偏差是多次测量的统计结果（通常采用最小二乘法 或Marzullo算法过滤异常值）。

中国的NTP服务架构是分层级的，国家授时中心是stratum1，其他运营商比如阿里云，腾讯云等部署了多台次级服务器。所以你执行命令时会使自己的PC端自动连接到附近最优的服务器，由于所有的NTP服务器本身已经同步(都溯源到国家授时中心或GPS/原子钟) ，所以连接了NTP的各个服务器就可以实现同步。

比如下面的方式一就是将其连接到了最优的服务器，但是如果你需要更高的精度，还可以指定同一NTP服务器，这时就需要在文件/etc/systemd/timesyncd.conf，添加如下内容指定特定服务器(比如阿里云)

bash 复制代码 
[Time]
NTP=ntp.aliyun.com

实现方式(Ubuntu系统)

方法一：使用系统默认的timesyncd（使用简单）

如果使用 systemd-timesyncd （即 timedatectl 管理的 NTP 客户端），通常不需要额外安装 ntp 或 ntpdate ，因为 timesyncd 已经是一个轻量级的 NTP 客户端，默认集成在 systemd 中。

bash 复制代码 
# 检查当前同步状态
timedatectl status

# 如果未启用NTP，运行：
sudo timedatectl set-ntp on

# 手动强制同步
sudo systemctl restart systemd-timesyncd

方法二：安装完成的ntp包(更精确控制)

bash 复制代码 
sudo apt install ntp
sudo systemctl restart ntp  # 启动或重启 NTP 服务，立即应用配置并开始同步。

# 查看同步状态
ntpq -p

ntpq -p输出示例如下

bash 复制代码 
   remote           refid      st t when poll reach   delay   offset  jitter
============================================================================
*ntp.ubuntu.com  .POOL.          16 u   25   64    1    5.123   -0.432   0.871
+time.google.com .GOOG.           1 u   12   64    7    1.234    0.567   0.123

  • * 表示当前主同步源。

  • offset：本地时钟与服务器的偏差（单位：毫秒）。

  • jitter：网络延迟的波动程度。

验证时间同步：

bash 复制代码 
ntpdate -q 192.168.1.100  # 查询与某台机器的时间差

7，共享ROS包

此功能如果需要可以选用，不做详细解释

方法1：同步工作空间

  • 使用rsync或git同步工作空间

  • 确保所有PC上的包路径相同

方法2：NFS共享

  • 设置NFS服务器共享工作空间

  • 其他PC挂载该共享目录

方法3：独立编译

  • 在各PC上独立维护代码库

  • 确保版本一致

8，启动管理

可以使用roslaunch在多台机器上启动节点：

XML 复制代码 
<launch>
  <machine name="pc1" address="192.168.1.101" user="user" password="pass" env-loader="/opt/ros/noetic/env.sh"/>
  <machine name="pc2" address="192.168.1.102" user="user" password="pass" env-loader="/opt/ros/noetic/env.sh"/>
  
  <node machine="pc1" name="node1" pkg="your_pkg" type="node1"/>
  <node machine="pc2" name="node2" pkg="your_pkg" type="node2"/>
</launch>
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