ROS2：从初识到深入，探索机器人操作系统的进化之路

前言

最近开始接触到基于DDS的这个系统，是在稚晖君的机器人项目中了解和认识到。于是便开始自己买书学习起来，感觉挺有意思的，但是只是单纯的看书籍，总会显得枯燥无味，于是自己又开始在网上找了一些视频教程结合书籍一起来看，便让我对ROS系统有了更深的认识和理解。

ROS的发展历程

ROS诞生于2007年的斯坦福大学，这是早期PR2机器人的原型，这个项目很快被一家商业公司Willow Garage看中，类似现在的风险投资一样，他们投了一大笔钱给这群年轻人，PR2机器人在资本的助推下成功诞生。

2010年，随着PR2机器人的发布，其中的软件正式确定了名称，就叫做机器人操作系统，Robot Operating System，简称为ROS。

2014年起，ROS跟随Ubuntu系统，每两年推出一个长期支持版，每个版本支持五年时间，这标志着ROS的成熟，也让ROS加快了普及的步伐。

在2022年5月底，迎来了ROS2第一个长期支持版——ROS2 Humble，ROS2已经成熟，我们也进入了一个全新的ROS2时代。

提高机器人软件复用率，这个目标简单来讲就是不要重新造轮子。

围绕这个核心目标，ROS在自身的设计上也尽量做到了模块化，由通信机制、开发工具、应用功能、生态系统四大部分组成。

ROS的相关社区

ROS全球社区有几个重要网站：

• answers.ros.org：这是一个ROS问答网站，大家可以在上边提出任何关于ROS的问题，全球很多开发者都很乐意回答我们的问题；
• wiki.ros.org，这是ROS的维基百科，记录了ROS教程和各种功能包的使用；
• discourse.ros.org，这是ROS论坛，关于ROS开发的新鲜事都可以在这里发表和查看，比如ROS的活动、新功能包的发布等等。
• index.ros.org，是ROS各种资源的一个索引网站；
• packages.ros.org，是ROS功能包存储的数据库。

ROS与ROS2的对比

ROS最早的设计目标就是开发这样一款PR2家庭服务机器人，这款机器人绝大部分时间都是独立工作，为了让他具备充足的能力：

它搭载了工作站级别的计算平台和各种先进的通信设备，不用担忧算力不够，有足够的实力支持各种复杂的实时运算和处理；由于是单兵作战，通信绝大部分都自己内部完成，那就可以用有线连接，保证了良好的网络连接，没有丢数据或者黑客入侵的风险；这台机器人最终虽然小批量生产，但是由于高昂的成本和售价，也只能用于学术研究。

随着ROS的普及，应用ROS的机器人类型已经和PR2机器人有了天翻地覆的问题，也并不具备PR2这样的条件，那原本针对PR2设计的软件框架，就会出现一些问题，比如：要在资源有限的嵌入式系统中运行；要在有干扰的地方保证通信的可靠性；要做成产品走向市场，甚至用在自动驾驶汽车和航天机器人上。

类似的问题不断涌现，致使更加适合各种机器人应用的新一代ROS2顺势而生。

其具备以下优势：

1. 多机器人系统：未来机器人一定不会是独立的个体，机器人和机器人之间也需要通信和协作，ROS2为多机器人系统的应用提供了标准方法和通信机制。
2. 跨平台：机器人应用场景不同，使用的控制平台也会有很大差异，比如自动驾驶汽车中的算力性能肯定比AMR机器人强很多，为了让所有机器人都可以运行ROS2，ROS2可以跨平台运行于Linux、Windows、MacOS、RTOS，甚至是没有任何系统的微控制器（MCU）上，这样我们就不用纠结自己的控制器能不能用ROS了。
3. 实时性：机器人运动控制和很多行为策略要求机器人具备实时性，比如机器人要可靠得在100ms内发现前方的行人，或者稳定的在1ms周期内完成运动学、动力学的解算，ROS2为类似这样的实时性需求提供了基本保障。
4. 网络连接：无论在怎样的网络环境下，ROS2都可以尽量保障机器人大量数据的完整性和安全性，比如在wifi信号不好的时候数据也要尽力发送过去，在有黑客入侵风险的场景下要对数据进行加密解密。
5. 产品化：，大量机器人已经走向我们的生活，未来还会越来越多，ROS2不仅可以用于机器人研发阶段，还可以直接搭载在产品中，走向消费市场，这对ROS2的稳定性、强壮性也提除了巨大挑战。
6. 项目管理：机器人开发是一个复杂的系统工程，设计、开发、调试、测试、部署等全流程的项目管理工具和机制，也会在ROS2中体现，更方便我们去开发一款机器人。

ROS2推翻了ROS，全部进行了重构。

• 系统架构进行了颠覆性的变化，ROS1中所有节点都需要在节点管理器ROS Master的管理下进行工作，一旦Master出现问题，系统就面临宕机的风险，ROS2实现了真正的分布式，不再有Master这个角色，借助一种全新的通信框架DDS，为所有节点的通信提供可靠保障。
• 软件API进行了重新设计，ROS1原有的接口已经无法满足需求，ROS2结合C++最新标准和Python3语言特性，设计了更具通用性的API，虽然导致原有ROS1的代码无法直接在ROS2中运行，但是尽量保留了类似的使用方法，同时提供了大量移植的说明。
• 编译系统进行了升级，ROS1中使用的rosbuild和catkin问题诸多，尤其是针对代码较多的大项目以及Python编写的项目，编译、链接经常会出错，ROS2对这些问题也进行了优化，重新优化后的编译系统叫做ament和colcon。

DDS的介绍

DDS其实是物联网中广泛应用的一种通信协议，类似于我们常听说的5G通信一样，DDS是一个国际标准，能够实现该标准的软件系统并不是唯一的，所以我们可以选择多个厂家提供的DDS系统，比如这里的OpenSplice、FastRTPS，还有更多厂家提供的，每一家的性能不同，适用的场景也不同。

不过这就带来一个问题，每个DDS厂家的软件接口肯定是不一样的，如果我们按照某一家的接口写完了程序，想要切换其他厂家的DDS，不是要重新写代码么？这当然不符合ROS提高软件复用率的目标。

为了解决这个问题，ROS2设计了一个ROS Middleware，简称RMW，也就是指定一个标准的接口，比如如何发数据，如何收数据，数据的各种属性如何配置，都定义好了，如果厂家想要接入ROS社区，就得按照这个标准写一个适配的接口，把自家的DDS给移植过来，这样就把问题交给了最熟悉自家DDS的厂商。对于我们这些用户来讲，某一个DDS用的不爽，只要安装另一个，然后做一个简单的配置，程序一行的都不用改，轻松更换底层的通信系统。

总之，DDS的加入，让ROS2系统更加稳定，也更加灵活，当然复杂度也会高一些。这样，我们不用再纠结ROS的通信系统是否稳定、该如何优化等问题，更多精力都可以放在其他三个部分，专注优化我们的机器人应用功能。

主要的核心概念：

ROS2的安装

目前手上用的是ubuntu20.04版本的PC，因而不是用最新版本的ROS2,但安装的方法都是一摸一样的。

1.设置编码

$ sudo apt update && sudo apt install locales
$ sudo locale-gen en_US en_US.UTF-8
$ sudo update-locale LC_ALL=en_US.UTF-8 LANG=en_US.UTF-8 
$ export LANG=en_US.UTF-8

2.添加源

$ sudo apt update && sudo apt install curl gnupg lsb-release 
$ sudo curl -sSL https://raw.githubusercontent.com/ros/rosdistro/master/ros.key -o /usr/share/keyrings/ros-archive-keyring.gpg 
$ echo "deb [arch=$(dpkg --print-architecture) signed-by=/usr/share/keyrings/ros-archive-keyring.gpg] http://packages.ros.org/ros2/ubuntu $(source /etc/os-release && echo $UBUNTU_CODENAME) main" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/ros2.list > /dev/null

在安装和配置ROS的过程中遇到类似这样的报错：

curl: (7) Failed to connect to raw.githubusercontent.com port 443 after 16 ms: Connection refused

就自己改一下host

sudo vi /etc/hosts

3.安装ROS

$ sudo apt update
$ sudo apt upgrade
$ sudo apt install ros-foxy-desktop

4.设置环境变量

$ source /opt/ros/foxy/setup.bash
$ echo " source /opt/ros/foxy/setup.bash" >> ~/.bashrc 

至此，ROS2就已经在系统中安装好了。

ROS2的测试

先试试ROS2底层通信系统DDS是否正常

启动第一个终端，通过以下命令启动一个数据的发布者节点：

$ ros2 run demo_nodes_cpp talker

启动第二个终端，通过以下命令启动一个数据的订阅者节点：

$ ros2 run demo_nodes_py listener

看到一直报hello world就说明成功了。

ROS的命令行

想要运行ROS2中某个节点，我们可以使用ros2 run命令进行操作

ros2 run turtlesim turtlesim_node

查看节点信息

ros2 node list

如果对某一个节点感兴趣，加上一个info子命令

ros2 node info /turtlesim

查看话题信息

ros2 topic list

看到某一个话题中的消息数据，加上echo子命令试一试

ros2 topic echo /turtle1/pose

构建开发环境

目前我都是用的vscode，推荐以下插件使用：

1. Python插件
2. C++插件
3. CMake插件
4. vscode-icons
5. ROS
6. Msg Language Support
7. URDF
8. Markdown All in One