moos-ivp安装与使用

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moos-ivp是一种基于C++的开源软件，用于构建和管理大型海洋机器人系统
其提供了一种分布式的、基于消息的架构，用于传输数据和控制命令
本文介绍了moos-ivp的特点、应用、安装以及一些基本的使用方法

moos-ivp简介

moos-ivp是一种用于海洋无人系统的开源软件平台，基于C++的，是MOOS (Mission Oriented Operating Suite) 和 IvP (Interval Programming) 的组合。项目位于麻省理工学院机械工程系和海洋工程中心，是自主海洋传感系统实验室（LAMSS）的一部分。核心开发人员也是麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室 （CSAIL） 的一部分。核心MOOS软件由牛津机器人研究所（ORI）维护和分发。

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特点

  • 分布式架构：提供了一种分布式的、基于消息的架构，用于传输数据和控制命令，模块之间通过发布-订阅机制进行通信。如下图所示MOOSDB是一个用于存储和传输消息的数据库，支持多种消息类型，供各个模块进行订阅和发布。

  • 模块化设计：允许开发者编写独立的模块(MOOSApp)来执行特定的任务，如导航、控制、感知等。模块之间通过消息传递进行通信，使得系统易于扩展和维护。

  • IvP技术：集成了IvP技术，用于路径规划和控制。IvP基于区间理论，将不确定性和环境变化考虑在内，通过动态地调整路径和控制策略来适应环境。

  • 开源软件：moos-ivp是开源软件，可以免费获取和使用。它提供了一套完整的开发工具和文档，方便开发者进行开发和调试。

应用

MOOS-IvP平台可以应用于多个领域和场景，包括但不限于以下几个方面：

  • 海洋勘测和测绘：利用无人船、无人潜水器等装备，对海洋环境进行测量、探测和地图绘制，用于海洋资源调查、海底地形测绘、水文气象监测等任务。

  • 水下探测与调查：通过搭载各种传感器的无人潜水器，对海洋底部、水体中的物理、化学和生物信息进行监测和研究，用于海洋科学研究、生态环境保护等领域。

  • 海洋环境监测：部署无人系统进行海洋环境参数的实时监测，如水质、海洋污染、水下声学环境等，为海洋生态保护、海洋灾害预警等提供数据支持。

  • 海洋安全与国防：利用无人船、无人潜水器等执行巡逻、监视、搜索和搜救任务，加强对海洋领域的监控与管控，提升海洋安全和国防能力。

安装MOOS

moos-ivp-22.8已在Ubuntu 18.04 LTS及Ubuntu 20.04 LTS上进行了测试，可以通过以下步骤进行安装。

下载MOOS

首先，在目标目录下打开一个终端，输入以下命令，下载moos-ivp-22.8的源代码：

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svn co https://oceanai.mit.edu/svn/moos-ivp-aro/releases/moos-ivp-22.8 moos-ivp

如果提示没有安装svn，可以在终端中输入sudo apt install subversion -y，然后再执行上面的命令下载源代码。

安装依赖项

源代码下载完成后，在终端中继续输入以下命令，安装moos-ivp-22.8所有的依赖项：
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sudo apt-get install g++ subversion xterm cmake libfltk1.3-dev freeglut3-dev   libpng-dev libjpeg-dev libxft-dev libxinerama-dev libtiff5-dev -y

g++是GNU的C++编译器
subversion是一个开源的版本控制系统
xterm是一个终端模拟器
cmake是一个跨平台的自动化建构系统
libfltk1.3-dev是FLTK图形库的开发包
freeglut3-dev是OpenGL的开发包
libpng-dev是PNG图像格式的开发包
libjpeg-dev是JPEG图像格式的开发包
libxft-dev是X FreeType库的开发包
libxinerama-dev是Xinerama库的开发包
libtiff5-dev是TIFF图像格式的开发包。

编译MOOS

  • 首先cd到moos-ivp路径 生成MOOS的链接文件，方便编译 

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    cd moos-ivp
    ln -s MOOS_Jul0519 MOOS
    这样moos-ivp路径下增加了MOOS文件夹，打开MOOS文件夹等同于打开MOOS_Jul0519文件夹。

  • 然后在终端中继续输入以下命令，开始编译moos-ivp： 

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    ./build-moos.sh -j  # 编译moos下的文件 
    ./build-ivp.sh -j   #编译ivp下的文件
    参数-j表示使用多线程编译，可以加快编译速度。

编译完成后，会在目录下生成bin文件夹，里面包含了moos-ivp的可执行文件。以后创建的MOOSApp模块的可执行文件，也会自动存放在这个文件夹下。

  • 添加可执行文件路径 终端输入 gedit ~/.bashrc（~在ubuntu下代表主目录），最后一行增加export PATH=$PATH:~/moos-ivp/bin，保存并退出。

    export PATH=$PATH:~/moos-ivp/bin 这行命令中~/后面要根据moos-ivp所在的路径进行修改
    比如我是在home下的project文件夹下，所以是export PATH=$PATH:~/project/moos-ivp/bin
    如果你是在home下的moos-ivp文件夹下，那就是export PATH=$PATH:~/moos-ivp/bin

    然后在终端中输入source ~/.bashrc使其生效。这样就可以在终端中直接输入可执行文件名，而不用输入完整的路径了。

运行示例

官方提供了一些示例，可以用来测试moos-ivp是否安装成功。在终端中输入以下命令，运行一个示例： 

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cd moos-ivp/ivp/missions/s1_alpha #进入示例文件夹
pAntler alpha.moos
如果出现以下界面，说明moos-ivp安装成功。

如果提示moos-ivp/ivp/missions/s1_alpha: 没有那个文件或目录,请检查cd的路径是否正确。

使用MOOS

下面介绍一些MOOS的基本使用方法，包括MOOS的开发、基本模块的配置和MOOS的调试。

MOOS的开发

开发一个MOOSApp模块，需要继承自CMOOSApp类，然后实现一些函数，包括OnStartUp()、OnNewMail()、Iterate()等。下面以一个简单的模块为例，简单介绍一下MOOSApp的开发。

创建MOOSApp

在moos-ivp中可以使用GenMOOSApp命令创建一个新的MOOSApp模块。在moos-ivp/ivp/src目录下（推荐在src下新建一个文件夹，方便代码管理）打开终端输入GenMOOSApp Example p "Bean"，会在终端所在目录下生成一个名为pExample的文件夹，里面包含了一个新的MOOSApp的源代码，之后可以在这个文件夹下进行开发。

Example为MOOSApp的名称
p为文件夹的前缀
“Bean”为作者署名

消息的发布和订阅

消息的订阅与发布是MOOSApp模块之间进行通信的基本方式。在MOOSApp中，可以通过Register()函数进行消息的订阅，通过Notify()函数进行消息的发布，下面我们以刚创建好的pExample模块为例，介绍一下消息的发布和订阅，以及整个代码的运行流程。

打开头文件可以看到模板APP自动创建了一个继承自CMOOSApp的Example类，public表示这里是公有继承。接着定义了一些函数，包括OnStartUp()、OnNewMail()、Iterate()、OnConnectToServer()。

  • OnStartUp()函数是在程序启动时，还未进入Iterate()函数之前调用的，用于实现程序初始化，特别是从文件中读取配置参数。里面调用了函数registerVariables()，用于注册需要订阅的消息。 

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    bool Example::OnStartUp()
    {
      printf("OnStartUp\n");
      list<string> sParams;
      m_MissionReader.EnableVerbatimQuoting(false);
      if(m_MissionReader.GetConfiguration(GetAppName(), sParams)) {
        list<string>::iterator p;
        for(p=sParams.begin(); p!=sParams.end(); p++) {
          string line  = *p;
          string param = tolower(biteStringX(line, '='));
          string value = line;
          
          if(param == "foo") {
            //handled
          }
          else if(param == "bar") {
            //handled
          }
        }
      }
      
      RegisterVariables();	
      return(true);
    }
    下面是RegisterVariables()函数的定义，用于注册需要订阅的消息。在这个函数中，调用了Register()函数，注册了一个名为“A”的消息。当有新的“A”消息到来时，OnNewMail()函数便会被调用。 
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    void Example::RegisterVariables()
    {
      Register("A", 0);
    }

  • Iterate()函数是程序的主循环函数，用于执行一些周期性的任务，通常在这里编写此模块负责执行的工作。配置文件.moos中的 AppTick参数决定了这个函数的最大调用频率。在下面的代码中，我们通过Notify()函数发布了一个名为“A”的消息，消息的内容是一个double类型的变量x，值为12。

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bool Example::Iterate()
{
  printf("Iterate\n");
  double x = 12;
  Notify("A", x);
  return(true);
}
  • OnNewMail()函数是在程序接收到新消息时调用的，用于处理新消息。（在调用 Iterate() 函数之前，CMOOSApp 基类会检查是否有新的邮件，如果有新的邮件，CMOOSApp 基类会调用 OnNewMail() ） 在下面的代码中，通过GetKey()函数获取了消息的变量名，然后通过GetDouble()函数获取了消息的值，并将值乘以2，然后通过Notify()函数发布了一个名为“B”的消息，消息的内容是一个double类型的变量y，值为x的两倍，如果顺利的话，我们可以在MOOSDB中看到名为B的消息，消息的值为24。
    由于消息B只是发布没有涉及到订阅，所以不必在Iterate()函数中订阅消息B。

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 bool Example::OnNewMail(MOOSMSG_LIST &NewMail)
{
  MOOSMSG_LIST::iterator p;
   printf("OnNewMail\n");
  for(p=NewMail.begin(); p!=NewMail.end(); p++) {
    CMOOSMsg &msg = *p;
    string key = msg.GetKey();
    
    if(key == "A") {
      double y = msg.GetDouble() * 2;
      Notify("B", y);
    }

#if 0 // Keep these around just for template
    string key   = msg.GetKey();        //获取消息的变量名
    string comm  = msg.GetCommunity();  //获取消息的来源-配置文件中定义的Community
    double dval  = msg.GetDouble();     //获取double类型变量的值
    string sval  = msg.GetString();     //获取string类型变量的值
    string msrc  = msg.GetSource();     //获取消息的源头-即MOOSApp的名称
    double mtime = msg.GetTime();       //获取消息发出的时间
    bool   mdbl  = msg.IsDouble();      //判断消息是否为double类型
    bool   mstr  = msg.IsString();      //判断消息是否为string类型
#endif
   }
	
   return(true);
}

OnConnectToServer()意义不明，暂时不用管。

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bool Example::OnConnectToServer()
{
   RegisterVariables();
   return(true);
}

编译和运行

  • 编译： 函数编写完成后，我们需要编译这个模块，回到moos-ivp文件夹下，打开终端输入./build-ivp.sh -j，编译完成后，我们可以在bin文件夹下找到pExample可执行文件。
  • 运行： 首先打开一个终端输入MOOSDB启动MOOS；
    然后在pExample所在的文件夹下打开终端输入pExample pExample.moos，程序开始运行；
    如果想要监测消息的状态，可以打开另一个终端输入uMS，可以看到消息的发布和订阅情况。
    如下图所示，在MOOSDB中看到名为“A”和“B”的消息，类型为D-Double，消息的值分别为12和24。

基本模块的配置

moos-ivp提供了一些基本的模块，如pShare、plogger、pAntler等，下面我们介绍一下这些模块的基本使用方法。

pShare模块

pShare模块是一个用于共享数据的模块，可以将数据共享给其他服务器，它基于UDP协议，通过网络进行数据传输。 使用起来非常简单，只需要在下文介绍的pAntler的配置文件中添加以下配置即可。

  • 主机1的配置文件： 
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    ProcessConfig = pShare
    {  
        AppTick   = 4
        CommsTick = 4
        input = route = localhost:9201  

        
        output=src_name=CONTROL_MSG,route=192.168.0.10:9200
        output=src_name=CONFIG_MSG,route=192.168.0.10:9200
        output=src_name=DEBUG_MSG,route=192.168.0.10:9200
        output=src_name=MISSION_MSG,route=192.168.0.10:9200
    }

    input = route = localhost:9201表示从本地服务器的9201端口接收数据
    #output表示输出消息。 src_name表示消息的名称
    route表示输出消息的目的地，可以有多个目的地，用&分隔。
    如route=192.168.0.10:9200&192.168.0.11:9200

  • 主机2的配置文件： 
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    ProcessConfig = pShare
    {  
        AppTick   = 4
        CommsTick = 4
        input = route = localhost:9200 
        output=src_name=NET_MSG,route=192.168.0.100：9201
        output=src_name=NETSTA_MSG,route=192.168.0.100：9201
    }
    上面的配置文件便把同一局域网内的两台主机连接起来了，主机1的pShare模块将CONTROL_MSG、CONFIG_MSG、DEBUG_MSG、MISSION_MSG发送到主机2的pShare模块，主机2的pShare模块将NET_MSG、NETSTA_MSG发送到主机1的pShare模块，这样两台主机之间就可以进行通讯了。

plogger模块

plogger模块是一个用于记录数据的模块，可以将数据记录到文件中，方便后续分析。 同样，只需要在MOOSApp的配置文件中添加以下几行代码即可。

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ProcessConfig = pLogger
{

  AppTick   = 4
  CommsTick = 4
  //LogSetLogLevel = 0                        #日志级别
  //LogMaxFileSize = 10485760                 #最大文件大小
  //LogMaxBackupIndex = 200                   #最大文件数
  PATH = "/home/heu/datadisk/DataLog"         #日志文件的路径
  log = DEPTH @ Depth_1,Bar_1,Tem_1,DepthCal	#记录的消息
  ProLogPeriod = 0.5                          #记录的时间间隔
}

pAntler模块

pAntler模块是一个用于控制MOOSApp的模块，可以一次性启动多个MOOSApp。像上文，我们运行一个pExample程序需要打开三个终端，分别启动MOOSDB、pExample和uMS，实际情况下可能需要启动多个程序，这样一个个打开终端启动是不现实的。pAntler可以通过配置文件一次性启动多个模块，非常方便。 我们把上文的pExample模块的配置文件的内容修改如下：

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ServerHost = localhost	#服务器的IP地址，如果是本地服务器，可以不用修改
ServerPort = 9000       #服务器的端口号
Community  = Test       #Community的名称

MOOSTimeWarp = 1        #时间加速因子，如果是2表示时间加速2倍，如果是0.5表示时间减速2倍
TERM_REPORTING = true   #是否打印终端报告

ProcessConfig = ANTLER  #ANTLER模块的配置
{
    MSBetweenLaunches = 200                            #两次启动之间的时间间隔
    Run = MOOSDB 				@ NewConsole = false  #启动MOOSDB
    Run = uMS 					@ NewConsole = false  #启动uMS
    Run = pExample 				@ NewConsole = true   #启动pExample
    Run = pLogger 				@ NewConsole = false  #启动pLogger
    Run = pShare 				@ NewConsole = false  #启动pShare

}

    #除MOOSDB和uMS外，其余模块必须添加对应的配置文件，如下所示：

ProcessConfig = pExample                               #pExample模块的配置
{
   AppTick   = 4  
   CommsTick = 4
}

ProcessConfig = pLogger                                #pLogger模块的配置
{
   AppTick   = 4
  CommsTick = 4
  //LogSetLogLevel = 0                       
  //LogMaxFileSize = 10485760                 
  //LogMaxBackupIndex = 200                   
  PATH = "/home/heu/datadisk/DataLog"         
  log = DEPTH @ Depth_1,Bar_1,Tem_1,DepthCal	
  ProLogPeriod = 0.5                          
}

ProcessConfig = pShare                                 #pLogger模块的配置
{  
    AppTick   = 4
    CommsTick = 4
    input = route = localhost:9200 
    output=src_name=NET_MSG,route=192.168.0.100：9201
    output=src_name=NETSTA_MSG,route=192.168.0.100：9201
}

然后在此路径的终端中输入pAntler pExample.moos，就可以一次性启动MOOSDB、pExample和uMS了。

MOOS的调试

当开发完一个MOOSApp模块后，我们需要对其进行调试，以确保其正常运行，下面介绍一下如何进行调试。

使用打印语句

我们可以在代码中加入一些打印语句，用于输出一些调试信息，以便我们了解程序的运行状态。如之前的pExample模块中，我们在OnStartUp()、Iterate()、OnNewMail()函数中加入了一些打印语句，用于输出一些调试信息，进而判断函数是否被调用。 同样，我们也可以打印一些变量的值，以便了解变量的状态。如下面的代码中，我们在OnNewMail()函数中打印了消息的变量名和值。

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bool Example::OnNewMail(MOOSMSG_LIST &NewMail)
{
  MOOSMSG_LIST::iterator p;
   printf("OnNewMail\n");
  for(p=NewMail.begin(); p!=NewMail.end(); p++) {
    CMOOSMsg &msg = *p;
    string key = msg.GetKey();
    printf("key = %s\n", key.c_str());
    if(key == "A") {
      double y = msg.GetDouble() * 2;
        printf("y = %f\n", y);
      Notify("B", y);
    }
   }
    
   return(true);
}


如果将Run = pExample @ NewConsole = true中的NewConsole改为false，则不会在新的终端中打开pExample，而是在当前终端中打印调试信息。

GDB调试

GDB是一个强大的调试工具，可以用于调试C/C++程序。我们可以使用GDB对MOOSApp模块进行调试，以便找出程序的错误。

首先，我们需要在编译时加入-g参数或者在程序目录下的CMakeLists.txt中加入set(CMAKE_BUILD_TYPE "Debug")，以便在编译时生成调试信息。然后，我们可以在终端中输入gdb pExample，进入GDB调试界面。在GDB调试界面中，可以使用一些命令：

run：运行程序，如run pExample.moos表示运行pExample程序。
break：设置断点，如break Example::OnStartUp表示在Example::OnStartUp函数处设置断点；break 10表示在第10行设置断点。
(gdb) break main.cpp:main:10表示在main.cpp文件的main函数的第10行设置断点。
next: 单步执行程序，不进入函数内部，如next表示执行下一行代码。
print: 打印变量的值，如print x表示打印变量x的值。 

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gdb pExample
(gdb) run pExample.moos
(gdb) break Example::OnStartUp
(gdb) next
(gdb) print x
(gdb) continue

总结

本文介绍了moos-ivp的特点、应用、安装以及一些基本的使用方法，希望对大家有所帮助。 学识所限，如有错误，还请评论指正。