ROS可以說是目前機器人相關開源社區(qū)最流行的項目之一，它是一個易用且完備的機器人開發(fā)框架、生態(tài)乃至社區(qū)，海量的機器人開源項目（涵蓋感知、規(guī)劃、控制、定位、SLAM和建圖、可視化等幾乎所有機器人領域）均使用ROS作為基礎。以自動駕駛汽車為代表的新的機器人應用場景對于中間層和開發(fā)框架在實時性、可靠性、伸縮性、跨平臺可移植等方面提出了大量新的需求，ROS顯然不能滿足這些需求，ROS2因此產生，在經(jīng)歷了若干年的迭代后，ROS2項目目前已經(jīng)相對完備和穩(wěn)定，對于我們開發(fā)者而言，是時候擁抱ROS2了。

為什么轉向ROS2

ROS自2007年發(fā)布以來，為機器人社區(qū)提供了一套相對完善的中間層、工具、軟件乃至通用的接口和標準，可以說，憑借ROS，機器人工業(yè)領域的開發(fā)者能夠快速開發(fā)系統(tǒng)原型并做測試和驗證。自動駕駛本質上是機器人研究的一個應用領域，在產品原型快速開發(fā)的過程中也通常會采用ROS。

如果說ROS1為科研和原型開發(fā)提供了很好的生態(tài)的話，那么ROS2就是用于實際產品的部署環(huán)境的開發(fā)架構和相應工具鏈。

ROS1的天然缺陷

ROS1項目的初衷是為了給科研機器人Willow Garage PR2提供一個開發(fā)環(huán)境和相應的工具，為了讓這套軟件在更多的機器人上運行，ROS為機器人開發(fā)構建了應用層的抽象和通用的消息接口，最終在機器人社區(qū)中廣為使用并發(fā)展為目前最流行的機器人軟件生態(tài)體系之一。然而，ROS1研發(fā)的初衷就注定了該架構存在以下缺陷：

• 無實時性（real-time）
• 嵌入式設備不友好
• 對于網(wǎng)絡通信的重依賴（需要大帶寬且穩(wěn)定的網(wǎng)絡連接）
• 多用于學術應用
• 超高的靈活性帶來的不規(guī)范的編程模式
• 原生的ROS僅支持單機器人

然而如今ROS已在大量工業(yè)領域的應用，包括科研機器人、工業(yè)機器人、輪式機器人、自動駕駛汽車乃至航天無人駕駛設備，其原來的功能設計已經(jīng)不能滿足海量應用對于某些性能（如實時性、安全性、嵌入式移植等）的需求，ROS2即在這樣的背景下被設計和開發(fā)。

ROS2相較于ROS1的提升和改進

相較于ROS1，ROS2在設計之初就考慮了在產品環(huán)境下面臨的一些挑戰(zhàn)，具體來說，ROS2采用（或者計劃采用）以下策略以提升其在產品環(huán)境的適用度：

• 支持多機器人
• 對小型嵌入式設備和微控制器的支持
• 實時系統(tǒng)：支持實時控制，包括進程間和機器間通信的實時性
• 支持非理想網(wǎng)絡環(huán)境：在低質量高延遲等網(wǎng)絡環(huán)境下系統(tǒng)仍然能夠工作
• 對產品環(huán)境的支持的能力
• 規(guī)范的編程模型以支持基于ROS的大規(guī)模目的構建、開發(fā)和部署

ROS2中的DDS中間層

ROS1的核心是一個基于master中心節(jié)點的匿名發(fā)布-訂閱通信中間層，相比之下，ROS2采用基于RTPS(Real-Time Publish-Subscribe)協(xié)議的DDS作為中間層，DDS(Data-Distribution Service)是一種用于實時和嵌入式系統(tǒng)發(fā)布-訂閱式通信的工業(yè)標準，這種點到點的通信模式類似于ROS1的中間層，但是DDS不需要像ROS1那樣借由master節(jié)點來完成兩個節(jié)點間通信，這使得系統(tǒng)更加容錯和靈活，DDS被廣泛應用于關鍵系統(tǒng)中，包括戰(zhàn)艦、大型基礎設施（如水電站）、金融系統(tǒng)、空間系統(tǒng)、航空系統(tǒng)等場景，這些用例也證實了DDS的可靠性。

多個廠商提供多種DDS實現(xiàn)，一般來說DDS的底層通信機制基于UDP協(xié)議或者共享內存機制（當然也有廠商提供基于TCP的DDS實現(xiàn)），而ROS2支持多種DDS實現(xiàn)，用戶可以根據(jù)實際情況選擇DDS中間層，目前來說ROS2 Foxy完整支持以下DDS中間層：

• eProsima的Fast RTPS（當前ROS2版本默認的DDS實現(xiàn)）
• RTI的Connext DDS
• Eclipse Cyclone DDS

了解更多DDS相關背景，可以參考這篇文章：https://design.ros2.org/articles/ros_on_dds.html

ROS2的內部架構：

ROS2的內部接口主要包括兩個層：

• rmw (ros middleware interface): 相對底層的接口層，直接和DDS交互，C語言實現(xiàn)
• rcl (ros cliend libraries): 對rmw相對高層的抽象，c/c++實現(xiàn)

此外上圖中還有一個ros_to_dds組件，該組件主要為用戶直接訪問DDS層提供接口。

更多關于rmw和rcl等中間層的實現(xiàn)機制以及ROS msg，DSS idl文件和python、c++和C上的類（或者結構體）的轉換可以參考ROS2官方文檔：https://docs.ros.org/en/foxy/Concepts/About-Internal-Interfaces.html

ROS2中的QoS策略

ROS2中引入了Quality of Service, QoS(服務質量)的策略用于配置節(jié)點間通信，進而提升了ROS2適應于不同應用場景的靈活性。ROS1只支持基于TCP的通信，通過配置QoS，ROS2可以表現(xiàn)出TCP的可靠性，也可以表現(xiàn)出UDP那樣的高實時性。用戶可以通過選擇不同的QoS配置文件以實現(xiàn)不同的通信表現(xiàn)，QoS配置文件為策略的集合，ROS2提供了預設的QoS配置文件，如下所示：

• 發(fā)布-訂閱機制的QoS設定
• 服務（Service）的QoS設定
• 傳感器數(shù)據(jù)的QoS設定
• 參數(shù)的QoS設定
• DDS中間層默認的QoS設定

ROS2的安裝和開發(fā)環(huán)境準備

ROS2目前幾乎每半年會release一個版本，不同的版本會有對應的代號（類似與ROS1中的Kinetic, Melodic和Noetic等版本代號），以下是ROS2的一些歷史版本：

• Crystal: 2018年12月
• Dashing: 2019年5月底
• Eloquent: 2019年11月
• Foxy: 2020年6月
• Galactic: 2021年5月

我們以最新的Galactic為例，ROS2是跨平臺的架構，同時支持Linux, MacOS 和Windows，但是依據(jù)我們在ROS1上開發(fā)的經(jīng)驗，我依然推薦大家在Linux的Ubuntu發(fā)行版上從事相應的ROS2 Application開發(fā)工作。在Ubuntu上，安裝ROS2可以通過binary安裝或者源代碼編譯安裝，在Ubuntu上，最簡單的安裝方式是通過Debian packages安裝（也就是apt安裝），我們以此為例，在Ubuntu 20.04上使用apt安裝ROS2的Galactic版本。

ROS2在Ubuntu下的安裝

在你的Ubuntu 20.04系統(tǒng)中，配置ROS2的apt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 $(lsb_release -cs) main" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/ros2.list > /dev/null

更新apt索引：

sudo apt update

使用apt安裝完整的ROS2：

sudo apt install ros-galactic-desktop

安裝完成后，在~/.bashrc文件中添加ros2的環(huán)境變量:

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

簡單地驗證一下安裝情況，新建一個terminal，運行demo的talker：

ros2 run demo_nodes_cpp talker

在另一個terminal中，運行l(wèi)istener：

ros2 run demo_nodes_py listener

可以看到，一個類似于ROS1的Publisher-Subscriber通信demo就運行起來了：

不難發(fā)現(xiàn)，ROS2并不需要像ROS1那樣啟動roscore（即master節(jié)點），ROS2這種去中心化的策略能讓其適應更多工業(yè)應用和產品級應用場景的需求。

Note: ROS1和ROS2可以并存于同一臺電腦，你只需要source不同的setup.bash即可完成環(huán)境的選擇。

ROS2的基本工具和命令

和ROS1一樣，ROS2也提供了大量的開發(fā)調試工具，如Rviz, Rqt等工具均已經(jīng)可以在ROS2中使用，運行rqt，可以看到我們剛剛運行的兩個demo節(jié)點：

運行 rviz2 可以啟動ROS2環(huán)境下的rviz軟件。

同時，ROS2也提供類似于ROS1的命令行指令，指令和ROS1略有區(qū)別：

• ros2 node : 輸出node相關信息
• ros2 topic : topic相關指令，包括list，hz，echo等
• ros2 service ： service相關指令，如list，call，type等
• ros2 bag : rosbag相關指令， 錄包，播包，打印數(shù)據(jù)包信息等
• ros2 bag ： package相關指令
• ros2 param: 參數(shù)相關
• ros2 launch： 運行l(wèi)aunch文件
• ros2 run： 運行單個節(jié)點

完整的ros2命令如下所示：

絕大多數(shù)指令基本是將ros1中的rosxxxx拆分成了ros2 xxxx

總結

以上是生活随笔為你收集整理的无人驾驶汽车系统入门（三十二）——ROS2概述和实践入门（一）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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