ROS2概述和實(shí)踐入門

ROS可以說(shuō)是?前機(jī)器?相關(guān)開(kāi)源社區(qū)最流?的項(xiàng)?之?，它是?個(gè)易?且完備的機(jī)器?開(kāi)發(fā)框架、?態(tài)乃?社區(qū)，海量的機(jī)器?開(kāi)源項(xiàng)?（涵蓋感知、規(guī)劃、控制、定位、SLAM和建圖、可視化等?乎所有機(jī)器?領(lǐng)域）均使?ROS作為基礎(chǔ)。

以?動(dòng)駕駛汽?為代表的新的機(jī)器?應(yīng)?場(chǎng)景對(duì)于中間層和開(kāi)發(fā)框架在實(shí)時(shí)性、可靠性、伸縮性、跨平臺(tái)可移植等??提出了?量新的需求，ROS 顯然不能滿?這些需求，ROS2因此產(chǎn)?，在經(jīng)歷了若?年的迭代后，ROS2項(xiàng)??前已經(jīng)相對(duì)完備和穩(wěn)定，對(duì)于我們開(kāi)發(fā)者??，是時(shí)候擁抱ROS2了。

01為什么轉(zhuǎn)向ROS

ROS?2007年發(fā)布以來(lái)，為機(jī)器?社區(qū)提供了?套相對(duì)完善的中間層、?具、軟件乃?通?的接?和標(biāo)準(zhǔn)，可以說(shuō)，憑借ROS，機(jī)器??業(yè)領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)者能夠快速開(kāi)發(fā)系統(tǒng)原型并做測(cè)試和驗(yàn)證。?動(dòng)駕駛本質(zhì)上是機(jī)器?研究的?個(gè)應(yīng)?領(lǐng)域，在產(chǎn)品原型快速開(kāi)發(fā)的過(guò)程中也通常會(huì)采?ROS。

如果說(shuō)ROS1為科研和原型開(kāi)發(fā)提供了很好的?態(tài)的話，那么ROS2就是?于實(shí)際產(chǎn)品的部署環(huán)境的開(kāi)發(fā)架構(gòu)和相應(yīng)?具鏈。

02ROS1的天然缺陷ROS1項(xiàng)?的初衷是為了給科研機(jī)器?Willow Garage PR2提供?個(gè)開(kāi)發(fā)環(huán)境和相應(yīng)的?具，為了讓這套軟件在更多的機(jī)器?上運(yùn)?，ROS為機(jī)器?開(kāi)發(fā)構(gòu)建了應(yīng)?層的抽象和通?的消息接?，最終在機(jī)器?社區(qū)中?為使?并發(fā)展為?前最流?的機(jī)器?軟件?態(tài)體系之?。然?，ROS1研發(fā)的初衷就注定了該架構(gòu)存在以下缺陷：

·?實(shí)時(shí)性（real-time）

·嵌?式設(shè)備不友好

·對(duì)于?絡(luò)通信的重依賴（需要?帶寬且穩(wěn)定的?絡(luò)連接）

·多?于學(xué)術(shù)應(yīng)?

·超?的靈活性帶來(lái)的不規(guī)范的編程模式

·原?的ROS僅?持單機(jī)器?

然?如今ROS已在?量?業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)?，包括科研機(jī)器?、?業(yè)機(jī)器?、輪式機(jī)器?、?動(dòng)駕駛汽?乃?航天??駕駛設(shè)備，其原來(lái)的功能設(shè)計(jì)已經(jīng)不能滿?海量應(yīng)?對(duì)于某些性能（如實(shí)時(shí)性、安全性、嵌?式移植等）的需求，ROS2即在這樣的背景下被設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。

03ROS2相較于ROS1的提升和改進(jìn)

相較于ROS1，ROS2在設(shè)計(jì)之初就考慮了在產(chǎn)品環(huán)境下?臨的?些挑戰(zhàn)，具體來(lái)說(shuō)，ROS2采?（或者計(jì)劃采?）以下策略以提升其在產(chǎn)品環(huán)境的適?度：

·?持多機(jī)器?

·對(duì)?型嵌?式設(shè)備和微控制器的?持

·實(shí)時(shí)系統(tǒng)：?持實(shí)時(shí)控制，包括進(jìn)程間和機(jī)器間通信的實(shí)時(shí)性

·?持?理想?絡(luò)環(huán)境：在低質(zhì)量?延遲等?絡(luò)環(huán)境下系統(tǒng)仍然能夠?作

·對(duì)產(chǎn)品環(huán)境的?持的能力

·規(guī)范的編程模型以?持基于ROS的?規(guī)模?的構(gòu)建、開(kāi)發(fā)和部署

04ROS2中的DDS中間層

ROS1的核?是?個(gè)基于master中?節(jié)點(diǎn)的匿名發(fā)布-訂閱通信中間層，相?之下，ROS2采?基于RTSP(Real-Time Publish-Subscribe)協(xié)議的DDS作為中間層，DDS(Data-Distribution Service)是?種?于實(shí)時(shí)和嵌?式系統(tǒng)發(fā)布-訂閱式通信的?業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這種點(diǎn)到點(diǎn)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(diǎn)來(lái)完成兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間通信，這使得系統(tǒng)更加容錯(cuò)和靈活，DDS 被?泛應(yīng)?于關(guān)鍵系統(tǒng)中，包括戰(zhàn)艦、?型基礎(chǔ)設(shè)施（如?電站）、?融系統(tǒng)、空間系統(tǒng)、航空系統(tǒng)等場(chǎng)景，這些?例也證實(shí)了DDS的可靠性。

多個(gè)?商提供多種DDS實(shí)現(xiàn)，?般來(lái)說(shuō)DDS的底層通信機(jī)制基于UDP協(xié)議或者共享內(nèi)存機(jī)制（當(dāng)然也有 ?商提供基于TCP的DDS實(shí)現(xiàn)），?ROS2?持多種DDS實(shí)現(xiàn)，??可以根據(jù)實(shí)際情況選擇DDS中間層， ?前來(lái)說(shuō)ROS2 Foxy完整?持以下DDS中間層：

·eProsima的Fast RTPS（當(dāng)前ROS2版本默認(rèn)的DDS實(shí)現(xiàn)）

·RTI的Connext DDS

·Eclipse Cyclone DDS

了解更多DDS相關(guān)背景，可以參考這篇?章：

https://design.ros2.org/articles/ros_on_dds.html

ROS2的內(nèi)部架構(gòu)：

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ROS2的內(nèi)部接?主要包括兩個(gè)層：

·rmw (ros middleware interface): 相對(duì)底層的接?層，直接和DDS交互，C語(yǔ)?實(shí)現(xiàn)

·rcl (ros cliend libraries): 對(duì)rmw相對(duì)?層的抽象，c/c++實(shí)現(xiàn)

此外上圖中還有?個(gè)ros_to_dds組件，該組件主要為??直接訪問(wèn)DDS層提供接?。

更多關(guān)于rmw和rcl等中間層的實(shí)現(xiàn)機(jī)制以及ROS msg，DSS idl?件和python、c++和C上的類（或者結(jié) 構(gòu)體）的轉(zhuǎn)換可以參考ROS2官??檔：

https://docs.ros.org/en/foxy/Concepts/About-Internal-Interfaces.html

05ROS2中的QoS策略ROS2中引?了Quality of Service, QoS(服務(wù)質(zhì)量)的策略?于配置節(jié)點(diǎn)間通信，進(jìn)?提升了ROS2適應(yīng)于不同應(yīng)?場(chǎng)景的靈活性。ROS1只?持基于TCP的通信，通過(guò)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?實(shí)時(shí)性。??可以通過(guò)選擇不同的QoS配置?件以實(shí)現(xiàn)不同的通信表現(xiàn)，QoS配置?件為策略的集合，ROS2提供了預(yù)設(shè)的QoS配置?件，如下所?：

·發(fā)布-訂閱機(jī)制的QoS設(shè)定

·服務(wù) (Service) 的QoS設(shè)定

·傳感器數(shù)據(jù)的QoS設(shè)定

·參數(shù)的QoS設(shè)定

·DDS中間層默認(rèn)的QoS設(shè)定

06ROS2的安裝和開(kāi)發(fā)環(huán)境準(zhǔn)備

ROS2?前?乎每半年會(huì)release?個(gè)版本，不同的版本會(huì)有對(duì)應(yīng)的代號(hào)（類似與ROS1中的Kinetic, Melodic和Noetic等版本代號(hào)），以下是ROS2的?些歷史版本：

·Crystal: 2018年12?

·Dashing: 2019年5?底

·Eloquent: 2019年11?

·Foxy: 2020年6?

·Galactic: 2021年5?

我們以最新的Galactic為例，ROS2是跨平臺(tái)的架構(gòu)，同時(shí)?持Linux, MacOS和Windows，但是依據(jù)我們?cè)赗OS1上開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，我依然推薦?家在Linux的Ubuntu發(fā)?版上從事相應(yīng)的ROS2 Application開(kāi)發(fā)?作。在Ubuntu上，安裝ROS2可以通過(guò)binary安裝或者源代碼編譯安裝，在Ubuntu上，最簡(jiǎn)單的安裝?式是通過(guò)Debian packages安裝（也就是apt安裝），我們以此為例，在Ubuntu 20.04上使?apt 安裝ROS2的Galactic版本。

07ROS2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/s echo "deb [arch=$(dpkg --print-architecture) signed-by=/usr/share/keyrings/ros-archive-k

更新apt索引：

sudo apt update

使?apt安裝完整的ROS2：

sudo apt install ros-galactic-desktop

安裝完成后，在~/.bashrc?件中添加ros2的環(huán)境變量:

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

簡(jiǎn)單地驗(yàn)證?下安裝情況，新建?個(gè)terminal，運(yùn)?demo的talker：

ros2 run demo_nodes_cpp talker

在另?個(gè)terminal中，運(yùn)?listener：

ros2 run demo_nodes_py listener

可以看到，?個(gè)類似于ROS1的Publisher-Subscriber通信demo就運(yùn)?起來(lái)了：

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不難發(fā)現(xiàn)，ROS2并不需要像ROS1那樣啟動(dòng)roscore（即master節(jié)點(diǎn)），ROS2這種去中?化的策略能讓其適應(yīng)更多?業(yè)應(yīng)?和產(chǎn)品級(jí)應(yīng)?場(chǎng)景的需求。

NOTE:ROS1和ROS2可以并存于同?臺(tái)電腦,你只需要source不同的setup.bash即可完成環(huán)境的選擇。

08ROS2的基本工具和命令和ROS1?樣，ROS2也提供了?量的開(kāi)發(fā)調(diào)試?具，如Rviz, Rqt等?具均已經(jīng)可以在ROS2中使?，運(yùn)行rqt，可以看到我們剛剛運(yùn)?的兩個(gè)demo節(jié)點(diǎn)：

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運(yùn)?rviz2可以啟動(dòng)ROS2環(huán)境下的rviz軟件。

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

·ros2 node: 輸出node相關(guān)信息

·ros2 topic: topic相關(guān)指令，包括list，hz，echo等

·ros2 service：service相關(guān)指令，如list，call，type等

·ros2 bag: rosbag相關(guān)指令， 錄包，播包，打印數(shù)據(jù)包信息等

·ros2 bag：package相關(guān)指令

·ros2 param: 參數(shù)相關(guān)

·ros2 launch：運(yùn)?launch?件

·ros2 run：運(yùn)?單個(gè)節(jié)點(diǎn)

完整的ros2命令如下所?：

絕?多數(shù)指令基本是將ros1中的rosxxxx拆分成了ros2 xxxx。

審核編輯 ：李倩