机器人操作系统ROS--简介(一)

Posted 2023-04-10

参考技术A

网址： http://www.ros.org/

ROS （机器人操作系统，Robot Operating System），是专为机器人软件开发所设计出来的一套电脑[操作系统]架构。它是一个开源的元级操作系统（后操作系统），提供类似于操作系统的服务，包括硬件抽象描述、底层驱动程序管理、共用功能的执行、程序间消息传递、程序发行包管理，它也提供一些工具和库用于获取、建立、编写和执行多机融合的程序。
ROS究竟为何物？
2007年Morgan Quigley，Eric Berger和Andrew Ng发布了一纸有关STAIR的论文，讲述了用Switchyard可以在各软件程序之间传递信息，可以帮助机器人有效的完成一些复杂的任务。这个项目是斯坦福大学和机器人技术公司Willow Garage的个人机器人项目Personal Robots Program合作进行的，2008年后完全由这家公司推广，相关发布文件称Switchyard可以让机器人编译模块化，而且不需要重新设计框架，ROS操作系统也就随之问世了，2012年ROS团队成立了一个非盈利组织（OSRF），经过这几年的发展ROS从最初的无人问津的小众操作系统，到现在已是主流的机器人操作系统之一。

ROS的运行架构是一种使用ROS通信模块实现模块间P2P的松耦合的网络连接的处理架构，它执行若干种类型的通讯，包括基于服务的同步RPC（远程过程调用）通讯、基于Topic的异步数据流通讯，还有参数服务器上的数据存储。但是ROS本身并没有实时性。
ROS的主要特点可以归纳为以下几条：
（1）点对点设计

想做一个机器人？那先花一分钟了解下ROS吧

ROS简介

• 1 ROS概念
• 2 ROS设计目标
• 3 ROS发展历程

ROS诞生背景

机器人是一种高度复杂的系统性实现，机器人设计包含了机械加工、机械结构设计、硬件设计、嵌入式软件设计、上层软件设计…是各种硬件与软件集成，甚至可以说机器人系统是当今工业体系的集大成者。

机器人体系是相当庞大的，其复杂度之高，以至于没有任何个人、组织甚至公司能够独立完成系统性的机器人研发工作。

一种更合适的策略是：让机器人研发者专注于自己擅长的领域，其他模块则直接复用相关领域更专业研发团队的实现，当然自身的研究也可以被他人继续复用。这种基于"复用"的分工协作，遵循了不重复发明轮子的原则，显然是可以大大提高机器人的研发效率的，尤其是随着机器人硬件越来越丰富，软件库越来越庞大，这种复用性和模块化开发需求也愈发强烈。

在此大背景下，于 2007 年，一家名为 柳树车库（Willow Garage） 的机器人公司发布了 ROS(机器人操作系统)，ROS是一套机器人通用软件框架，可以提升功能模块的复用性，并且随着该系统的不断迭代与完善，如今 ROS 已经成为机器人领域的事实标准。

1 ROS概念

ROS全称Robot Operating System(机器人操作系统)

ROS是适用于机器人的开源元操作系统；

ROS集成了大量的工具，库，协议，提供类似OS所提供的功能，简化对机器人的控制；

还提供了用于在多台计算机上获取，构建，编写和运行代码的工具和库，ROS在某些方面类似于“机器人框架”；

ROS设计者将ROS表述为“ROS = Plumbing + Tools + Capabilities + Ecosystem”，即ROS是通讯机制、工具软件包、机器人高层技能以及机器人生态系统的集合体。

2 ROS设计目标

机器人开发的分工思想，实现了不同研发团队间的共享和协作，提升了机器人的研发效率，为了服务“ 分工”，ROS主要设计了如下目标：

• 复用:ROS的目标不是成为具有最多功能的框架，ROS的主要目标是支持机器人技术研发中的代码重用。
• 分布式:ROS是进程（也称为Nodes）的分布式框架,ROS中的进程可分布于不同主机，不同主机协同工作，从而分散计算压力
• 松耦合:ROS中功能模块封装于独立的功能包或元功能包，便于分享，功能包内的模块以节点为单位运行，以ROS标准的IO作为接口，开发者不需要关注模块内部实现，只要了解接口规则就能实现复用,实现了模块间点对点的松耦合连接
• 精简：ROS被设计为尽可能精简，以便为ROS编写的代码可以与其他机器人软件框架一起使用。ROS易于与其他机器人软件框架集成：ROS已与OpenRAVE，Orocos和Player集成。
• 语言独立性：包括Java，C++，Python等。为了支持更多应用开发和移植，ROS设计为一种语言弱相关的框架结构，使用简洁，中立的定义语言描述模块间的消息接口，在编译中再产生所使用语言的目标文件，为消息交互提供支持，同时允许消息接口的嵌套使用
• 易于测试：ROS具有称为rostest的内置单元/集成测试框架，可轻松安装和拆卸测试工具。
• 大型应用：ROS适用于大型运行时系统和大型开发流程。
• 丰富的组件化工具包：ROS可采用组件化方式集成一些工具和软件到系统中并作为一个组件直接使用，如RVIZ（3D可视化工具），开发者根据ROS定义的接口在其中显示机器人模型等，组件还包括仿真环境和消息查看工具等
• 免费且开源：开发者众多，功能包多

3 ROS发展历程

ROS是一个由来已久、贡献者众多的大型软件项目。在ROS诞生之前，很多学者认为，机器人研究需要一个开放式的协作框架，并且已经有不少类似的项目致力于实现这样的框架。在这些工作中，斯坦福大学在2000年年中开展了一系列相关研究项目，如斯坦福人工智能机器人（STandford AI Robot, STAIR）项目、个人机器人（Personal Robots, PR）项目等，在上述项目中，在研究具有代表性、集成式人工智能系统的过程中，创立了用于室内场景的高灵活性、动态软件系统，其可以用于机器人学研究。

2007年，柳树车库（Willow Garage）提供了大量资源，用于将斯坦福大学机器人项目中的软件系统进行扩展与完善，同时，在无数研究人员的共同努力下，ROS的核心思想和基本软件包逐渐得到完善。

ROS的发行版本（ROS distribution） 指ROS软件包的版本，其与Linux的发行版本（如Ubuntu）的概念类似。推出ROS发行版本的目的在于使开发人员可以使用相对稳定的代码库，直到其准备好将所有内容进行版本升级为止。因此，每个发行版本推出后，ROS开发者通常仅对这一版本的bug进行修复，同时提供少量针对核心软件包的改进。

版本特点: 按照英文字母顺序命名，ROS 目前已经发布了ROS1 的终极版本: noetic，并建议后期过渡至 ROS2 版本。noetic 版本之前默认使用的是 Python2，noetic 支持 Python3。

建议版本: noetic 或 melodic 或 kinetic

学习是一个循序渐进的过程，具体到计算机领域的软件开发层面，每当接触一个新的知识模块时，按照一般的步骤，我们会先去了解该模块的相关概念，然后再安装官方软件包，接下来再搭建其集成的开发环境…这些准备工作完毕之后，才算是叩开了新领域的大门。