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ROS2教程 - 1 ROS简介

article 2024/11/30 17:42:18

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1 ROS简介

如果现在让我们开发一个机器人，没有可用的框架支持，那么该如何实现呢？

我们可能在 Windows 或 Linux 系统上进行开发，需要集成各个传感器和驱动程序，用于获取传感器的数据。我们可能开发一个模块读取传感器的数据，开发别的模块实现功能，这样传感器的数据可能需要在多个模块之间进行传输，随着功能的复杂，模块间的通信也变化复杂。关键每个人要开发一个机器人，都需要重新来搞一套，非常麻烦。

ROS 它来了。

1.1 ROS简介

ROS (Robot Operating System，机器人操作系统) 是用于开发机器人的一个系统，说叫机器人操作系统，其实它并不是传统意义上的操作系统，和 Windows 、Linux 等是不一样的，它是一个平台或者说中间件，是在传统操作系统之上搭建的，例如 ROS1是基于 Linux Ubuntu 系统的，ROS1 版本和 Ubuntu 系统版本有相应的对应关系，ROS2 已经实现了在不同操作系统上的部署，ROS 更多的是实现一个平台的功能，提供通信机制、分布式系统、硬件抽象等功能，让我们更方便的构建机器人应用程序。

1 机器人发展背景

机器人的发展历史可以追溯到 20 世纪中期，最早的工业机器人用于制造和装配任务，这些机器人通过机械臂实现简单的自动化操作。在最初的几十年里，机器人技术集中于高度专业化的硬件开发和工业自动化流程。然而，随着计算机科学的进步，机器人领域逐渐从单一的硬件自动化发展为软硬件结合的复杂系统，能够执行多种任务并处理多种环境。

20 世纪中期：简单的工业自动化机器人出现，用于重复性的任务。
20 世纪末：随着计算机技术和人工智能的进步，机器人开始具有感知能力，如通过传感器收集环境数据，做出相应的决策。
21 世纪初：机器人技术迅猛发展，开始被用于家庭、服务、医疗、农业等非工业领域，并逐渐具备自主性和智能化。

2 ROS 的诞生背景

随着机器人的复杂性和应用场景的扩大，开发机器人系统面临了诸多挑战：

系统复杂度：机器人的硬件（传感器、执行器等）和软件（控制算法、感知系统、路径规划等）之间的集成难度越来越大。
复用性差：不同研究团队和开发者之间难以共享代码和成果，导致重复开发同样的基础功能，重复造轮子。
开发成本高：构建一个完整的机器人系统不仅需要大量的时间和资源，还需要深厚的计算机和电子技术知识。

为了应对这些问题，2007 年，来自美国 Willow Garage 研究所的开发团队推出了 ROS（Robot Operating System），旨在提供一个开源平台，简化机器人系统开发流程，鼓励研究人员和开发者之间的代码复用和协作。ROS 通过一套标准化的接口，使得机器人开发者可以专注于更高层次的算法和应用开发，而无需从零开始编写基础设施代码。

3 ROS1 的设计目标

ROS1 的核心设计目标可以概括为以下几点：

模块化设计：ROS 的设计理念是通过节点（Node）构建分布式系统，每个节点负责单一功能。节点之间通过发布/订阅机制进行通信，数据通过消息传递。这种设计方式极大提高了开发的模块化和灵活性。
跨语言支持：ROS 提供了多语言支持，主要支持 C++ 和 Python 等语言，开发者可以根据需求选择适合的编程语言。
开源社区驱动：ROS 的另一个目标是打造一个庞大的开源社区，开发者可以共享自己的功能包，鼓励代码复用。
工具链集成：ROS 提供了大量工具来支持开发和调试，如 rviz 可视化工具、rosbag 数据记录工具等，帮助开发者更快地构建和调试机器人系统。

ROS1 的局限性：

尽管 ROS1 取得了广泛的成功并成为了机器人研究和开发的事实标准，但它也存在一些局限性：

实时性问题：ROS1 并非为实时系统设计，这在一些需要严格时间约束的应用场景（如工业机器人和自动驾驶）中是一个重要的限制。
分布式系统的扩展性：ROS1 的通信机制基于自定义协议，虽然支持节点间的通信，但在大规模分布式系统中效率不高。
安全性缺失：ROS1 没有内置的安全机制，无法直接支持消息加密和认证，限制了其在安全要求高的场景中的应用。
跨平台支持不佳：ROS1 主要依赖于 Linux，特别是 Ubuntu 系统，限制了在其他操作系统（如 Windows 和 macOS）上的应用。

1.2 ROS2简介

鉴于上述局限性，Open Robotics（前身为 Willow Garage）启动了 ROS2 的开发。ROS2 的设计目标之一是弥补 ROS1 的不足，并为未来的机器人系统提供更好的架构支持。

1 ROS2和ROS1的区别

ROS2 相比于 ROS1 只是沿用了某些 ROS1 的概念和设计理念，但其整体架构、底层实现和功能特性都有了显著的变化，可以说是一个全新的系统。

ROS2 与 ROS1 在多个方面存在区别和优化，主要如下：

架构方面：
- ROS1：使用了一个中心化的 master 节点来管理所有节点的通信。这种架构下，节点之间的通信需要通过 master 节点进行协调和管理，比如节点的注册、话题的发布与订阅等信息都由 master 节点维护。这就导致了一些问题，一方面，如果 master 节点出现故障，整个系统的通信就会受到影响，存在单点故障的风险；另一方面，随着系统中节点数量的增加，master 节点可能会成为系统的性能瓶颈，影响系统的可扩展性。
- ROS2：采用了分布式架构，去除了对中心 master 节点的依赖，实现了节点的自发现机制。每个节点可以直接与其他节点进行通信，不需要通过中间的 master 节点进行协调。这种架构提高了系统的可靠性和可扩展性，即使某个节点出现故障，也不会影响其他节点之间的通信。
通信机制方面：
- ROS1：基于 TCPROS/UDPROS 进行通信，这两种协议是 ROS1 自定义的通信协议，在一定程度上满足了机器人系统的通信需求，但在实时性和可靠性方面存在不足。并且其通信依赖于 master 节点，如果 master 节点出现问题，通信就会中断。
- ROS2：使用 DDS（Data Distribution Service）作为通信中间件。DDS 是一种专门为实时系统设计的数据分发 / 订阅标准，具有高效、可靠、实时性强等优点。它支持多种 QoS（Quality of Service）策略，例如可靠性、实时性、持久性等，可以根据不同的应用场景进行配置，满足不同应用的需求。
编程语言支持方面：
- ROS1：主要支持Python 2和C++03标准，对Python 3 和 C++11 及以上的支持不足。
- ROS2：增加了对C++11/14和Python 3的支持，对于 Python，ROS2 至少需要 Python 3.5 版本，鼓励使用更现代的语言特性，提高了编程的灵活性和可扩展性。
跨平台支持方面：
- ROS1：主要支持 Ubuntu（Linux），尤其与特定的 Ubuntu 版本紧密绑定。虽然 ROS1 可以移植到其他系统，但需要大量工作，Windows 和 macOS 的支持非常有限。
- ROS2：从一开始就设计为跨平台系统，原生支持多种操作系统，包括 Linux、Windows 和 macOS。
实时性能方面：
- ROS1：在实时性方面的设计相对较弱，虽然可以满足一些基本的实时应用需求，但在对实时性要求较高的场景下，可能会出现性能不足的情况。
- ROS2：更加注重实时性能，通过优化通信机制、支持实时操作系统等手段提高了系统的实时响应能力，能够更好地满足对实时性要求较高的机器人应用场景，如工业机器人、自动驾驶等。
数据类型方面：
- ROS1：使用自定义的 ROS 数据类型，这在一定程度上满足了 ROS 系统内部的数据通信需求，但与其他系统的数据交互可能会存在兼容性问题。
- ROS2：采用了 DDS 数据类型，提高了与其他系统的互操作性，使得 ROS2 系统能够更好地与其他采用 DDS 标准的系统进行数据交互和集成。
编译系统方面：
- ROS1：使用catkin作为编译系统。
- ROS2：采用了新的编译系统Ament，它比catkin更高效，支持跨平台编译，并能更好地集成现代构建工具链。
API 设计方面：
- ROS1：ROS1 的 API 设计是面向较早期的机器人开发需求，API 的一些设计在现代机器人系统中略显笨拙，尤其是对实时性和分布式系统的支持不足。
- ROS2：API 进行了改进，增强了对多线程、实时系统和分布式系统的支持，使得在更复杂的机器人应用中使用更加灵活。
安全性方面：
- ROS1：没有内置的安全机制，消息传输不加密，缺乏身份验证和访问控制，限制了在安全敏感场景中的应用。
- ROS2：集成了 DDS 提供的安全特性，包括消息加密、身份认证和访问控制等安全功能。

综上所述，ROS2 在架构、通信、语言支持、跨平台、实时性、数据类型、编译系统、API 设计和安全性等方面都对 ROS1 进行了优化和改进，具有更高的可靠性、可扩展性、实时性和安全性，更适合现代机器人系统的开发和应用。

2 ROS2 的发展历程

2014 年：开始开发

ROS2 项目的开发工作于 2014 年正式启动，目标是解决 ROS1 中的性能和架构问题，并引入适应未来机器人应用场景的新功能。
2017 年：ROS2 Ardent Apalone

2017 年，ROS2 发布了第一个正式版本 Ardent Apalone，这是 ROS2 的早期版本，虽然具备了一些基本功能，但整体功能还不完善。
2018 年：ROS2 Bouncy Bolson 和 Crystal Clemmys

2018 年，ROS2 相继发布了两个版本 Bouncy 和 Crystal，重点改进了分布式系统支持和跨平台性能。
2019 年：ROS2 Dashing Diademata

Dashing 版本标志着 ROS2 进入更稳定的阶段，它进一步完善了实时性支持和跨平台兼容性，并被广泛应用于工业机器人系统。
2020 年：ROS2 Foxy Fitzroy

Foxy 是 ROS2 另一个长期支持（LTS）版本，它带来了更加完善的工具链、增强的安全特性和更高的稳定性。
2022 年及以后

随着每年的迭代更新，ROS2 的功能日益丰富，特别是在工业机器人、自动驾驶、无人机等领域得到了广泛应用。目前，ROS2 的 LTS 版本 Galactic 和 Humble 均被广泛应用于生产环境中。