機器人操作系統（ROS）機器人操作系統（ROS）ROS-2簡介11機器人操作系統（ROS）11.ROS-2簡介在過去的十多年時間里，ROS-1已經發展壯大，其擁有龐大的功能包列表，通過幾個小規模的功能包，用戶就可以創建一個全新的復雜系統。然而，ROS-1仍然存在以下幾個問題，雖然很多開發者對其中一些問題提出了針對性的解決方案，但仍然無法解決ROS-1中的根本問題。1）多機器人系統。多機器人系統是機器人領域研究的一個重點問題，可以解決單機器人性能不足、無法應用等問題，但是ROS-1中并沒有構建多機器人系統的標準方法。2）跨平臺。ROS-1基于Linux系統，在Windows、macOS、RTOS等系統上無法應用或者功能有限，這對機器人開發者和開發工具提出了較高要求，也有很大的局限性。3）實時性。很多應用場景下的機器人對實時性要求較高，尤其是工業領域，系統需要做到硬實時的性能指標，但是ROS-1缺少實時性方面的設計，所以在很多應用中捉襟見肘。4）網絡連接。ROS-1的分布式機制需要良好的網絡環境才能保證數據的完整性，而且網絡不具備數據加密、安全防護等功能，網絡中的任意主機都可以獲得節點發布或接收的消息數據。5）產品化。ROS-1的穩定性欠佳，ROSMaster、節點等重要環節在很多情況下會莫名宕機，這就導致很多機器人從研究開發到消費產品的過渡非常艱難。ROS-2的開發主要就是解決上述情形中遇到的問題。機器人操作系統（ROS）11.1ROS-2概述相比ROS-1，ROS-2的設計目標更加豐富，旨在改進可用于實時系統和產品階段解決方案的通信網絡架構。ROS-2的主要設計目標是：1）支持多機器人系統2）實時通信能力3）直接在硬件層面上提供ROS層4）軟件版本更新（主要是客戶端庫）ROS-2簡化了發布-訂閱的基礎結構，并使其在不同的硬件和軟件組件之間更加可靠，以確保用戶可以更專注與功能和生態系統。經過幾年的alpha和beta版本的發布，ROS-2于2017年12月推出第一個發行版——ArdentApalone。截至本書稿撰寫期間，最新的ROS-2版本是GalacticGeochelone，于2021年5月23日發布.具體的ROS-2發行版如表11-1所示。機器人操作系統（ROS）11.1ROS-2概述機器人操作系統（ROS）11.2ROS-2基礎ROS-2重新設計了系統架構，可以從圖11-1中看到兩代ROS之間架構的變化。在ROS-1中，用戶代碼將連接到ROS客戶端庫（如rospy和roscpp），它們直接與網絡中的其他節點通信；而在ROS-2中，ROS客戶端就像一個抽象層，使用其他節點通過DDS實現連接到網絡中進行通信的另一層。在ROS-2中，操作系統層與底層硬件層的通信是通過DDS實現完成的。圖中的DDS組件有供應商實現，供應商不同則具體實現不同。抽象DDS層與ROS-2客戶端庫連接，并通過DDS實現幫助用戶連接代碼。通過這樣的分層抽象，用戶無須感知DDSAPI的存在就可以與操作系統連接。機器人操作系統（ROS）11.2.1DDSDDS（DataDistributionService，數據分發服務），2004年由對象管理組織（ObjectManagementGroup，OMG）發布，是一種專門為實時系統設計的數據分發/訂閱標準。DDS最早應用于美國海軍，用于解決艦船復雜網絡環境中大量軟件升級的兼容性問題，目前已經成為美國國防部的強制標準，同時廣泛應用于國防、民航、工業控制等領域，成為分布式實時系統中數據發布/訂閱的標準解決方案。其技術關鍵是以數據為核心的發布/訂閱（Data-CentricPublish-Subscribe，DCPS）模型，可以幫助兩個或多個DDS程序在不使用master的情況下相互通訊。這種DCPS模型創建了一個“全局數據空間”（GlobalDataSpace）的概念，所有獨立的應用都可以訪問。機器人操作系統（ROS）11.2.2計算圖ROS-2遵循與ROS-1相同的計算圖概念，但有一些變化：節點：在ROS-2中，節點被稱為參與者。除了可以像ROS-1一樣在計算圖中定義節點之外，在ROS-2中一個進程還可以初始化多個節點，它們可能位于同一進程、不同進程或不同機器中。發現(discovery)：ROS-1中有一個master的概念可以幫助節點互相進行通信，而ROS-2中則沒有master的概念，而是通過一種稱為“發現”的機制實現通信。在默認情況下，ROS-2中的DDS標準實現提供了一種分布式發現方法，節點能夠在網絡中自動發現彼此。此機制有助于實現不同類型的多個機器人之間的可靠通信。除此之外，我們在前面章節中看到的其他概念，如消息、話題、參數服務器、服務和數據包，對于ROS-2來說都是一樣的。機器人操作系統（ROS）11.2.3社區層級與ROS-1成熟活躍的社區氛圍不同，ROS-2社區目前還在發展之中。一些研究機構和企業都做出了很好的貢獻。由于ROS-2在2014年才開始開發，因此關于ROS-2的研究和工具還有很多需要關注的問題，這是因為通過開源社區實現實時系統需要克服巨大的困難。OSRF與提供DDS實現并為社區做出貢獻的供應商進行了很好的溝通。目前ROS-1在其倉庫中有2000多個功能包，而ROS-2還只有100多個。最新的ROS-2頁面的網址為/doc/ros2/。機器人操作系統（ROS）11.3ROS-2中的通信前面我們所學習的是ROS-1通信模型，也就是話題、服務等通信機制。ROS-2的通信模型會稍顯復雜，加入了很多DDS的通信機制，如圖11-2所示。基于DDS的ROS-2通信模型包含以下幾個關鍵概念。參與者（Participant）在DDS中，每一個發布者或者訂閱者都稱為參與者，對應于一個使用DDS的用戶，可以使用某種定義好的數據類型來讀/寫全局數據空間。發布者（Publisher）數據發布的執行者，支持多種數據類型的發布，可以與多個數據寫入器（DataWriter）相連，發布一種或多種話題（Topic）的消息。訂閱者（Subscriber）數據訂閱的執行者，支持多種數據類型的訂閱，可以與多個數據讀取器（DataReader）相連，訂閱一種或多種話題（Topic）的消息。數據寫入器（DataWriter）上層應用向發布者更新數據的對象，每個數據寫入器對應一個特定的話題（Topic），類似于ROS-1中的一個消息發布者。數據讀取器（DataReader）上層應用從訂閱者讀取數據的對象，每個數據讀取器對應一個特定的話題（Topic），類似于ROS-1中的一個消息訂閱者。話題（Topic）與ROS-1中的概念類似，話題需要定義一個名稱和一種數據結構，但ROS2中的每個話題都是一個實例，可以存儲該話題中的歷史消息數據。質量服務原則（QualityofServicePolicy）質量服務原則簡稱QoSPolicy，這是ROS-2中新增的、也是非常重要的一個概念，控制各方面與底層的通信機制，主要從時間限制、可靠性、持續性、歷史記錄這幾個方面滿足用戶針對不同場景的數據需求。機器人操作系統（ROS）11.3ROS-2中的通信基于DDS的ROS-2通信模型包含以下幾個關鍵概念。參與者（Participant）在DDS中，每一個發布者或者訂閱者都稱為參與者，對應于一個使用DDS的用戶，可以使用某種定義好的數據類型來讀/寫全局數據空間。發布者（Publisher）數據發布的執行者，支持多種數據類型的發布，可以與多個數據寫入器（DataWriter）相連，發布一種或多種話題（Topic）的消息。訂閱者（Subscriber）數據訂閱的執行者，支持多種數據類型的訂閱，可以與多個數據讀取器（DataReader）相連，訂閱一種或多種話題（Topic）的消息。數據寫入器（DataWriter）上層應用向發布者更新數據的對象，每個數據寫入器對應一個特定的話題（Topic），類似于ROS-1中的一個消息發布者。數據讀取器（DataReader）上層應用從訂閱者讀取數據的對象，每個數據讀取器對應一個特定的話題（Topic），類似于ROS-1中的一個消息訂閱者。話題（Topic）與ROS-1中的概念類似，話題需要定義一個名稱和一種數據結構，但ROS2中的每個話題都是一個實例，可以存儲該話題中的歷史消息數據。質量服務原則（QualityofServicePolicy）質量服務原則簡稱QoSPolicy，這是ROS-2中新增的、也是非常重要的一個概念，控制各方面與底層的通信機制，主要從時間限制、可靠性、持續性、歷史記錄這幾個方面滿足用戶針對不同場景的數據需求。機器人操作系統（ROS）11.4安裝ROS-21.添加軟件源$sudoaptupdate&&sudoaptinstallcurl

$curl/repos.key|sudoapt-keyadd–

$sudosh-c'echo"deb[arch=amd64,arm64]/ubuntu/mainxenialmain">/etc/apt/sources.list.d/ros2-latest.list'2.安裝ROS-2$sudoapt-getupdate

$sudoaptinstall`aptlistros-ardent-*2>/dev/null|grep"/"|awk-F/'{print$1}'|grep-v-eros-ardent-ros1-bridge-eros-ardent-turtlebot2-|tr"\n"""`3.設置環境變量$source/opt/ros/ardent/setup.bash如果安裝了Python包——argcomplete，還需要設置以下環境變量：$source/opt/ros/ardent/share/ros2cli/environment/ros2-argcomplete.bash4.配置ROSMiddleware（RMW）DDS是ROS-2中的重要部分，ROS-2默認使用的RMW是FastRPTS，我們也可以通過以下環境變量將默認的RMW修改為OpenSplice：RMW_IMPLEMENTATION=rmw_opensplice_cpp5.安裝依賴ROS1的功能包ROS2在很長一段時間內會與ROS1并存，所以目前很多ROS2中的功能包需要依賴ROS1中的功能包，ROS2也提供了與ROS1之間通信的橋梁——ros1_bridge。在安裝這些與ROS1有依賴關系的功能包之前，需要系統已經成功安裝有ROS1，然后才能通過以下命令安裝ROS2的功能包：$sudoaptupdate

$sudoaptinstallros-ardent-ros1-bridgeros-ardent-turtlebot2-*按照以上方法安裝完成后，就可以使用ROS2的命令了。ROS2的默認安裝路徑依然是在Ubuntu系統的/opt/ros路徑下。機器人操作系統（ROS）11.5本章小