拥抱ROS2系列：ROS2概述和实践入门
來源丨深藍(lán)AI
ROS可以說是?前機(jī)器?相關(guān)開源社區(qū)最流?的項(xiàng)?之?，它是?個(gè)易?且完備的機(jī)器?開發(fā)框架、?態(tài)乃?社區(qū)，海量的機(jī)器?開源項(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，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，憑借ROS，機(jī)器??業(yè)領(lǐng)域的開發(fā)者能夠快速開發(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)品原型快速開發(fā)的過程中也通常會(huì)采?ROS。
如果說ROS1為科研和原型開發(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)境的開發(fā)架構(gòu)和相應(yīng)?具鏈。
02
ROS1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)和開發(fā)。
03
ROS2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)，具體來說，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、開發(fā)和部署
04
ROS2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)，?般來說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， ?前來說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)：
點(diǎn)擊可查看大圖
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
05
ROS2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
06
ROS2的安裝和開發(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開發(fā)?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(jiǎn)單的安裝?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?apt 安裝ROS2的Galactic版本。
07
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/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。
08
ROS2的基本工具和命令
和ROS1?樣，ROS2也提供了?量的開發(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)：
點(diǎn)擊可查看大圖
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?：
點(diǎn)擊可查看大圖
絕?多數(shù)指令基本是將ros1中的rosxxxx拆分成了ros2 xxxx。
參考文檔：
https://docs.ros.org/en/galactic/index.html
作者簡(jiǎn)介
申澤邦，奔馳高級(jí)自動(dòng)駕駛工程師，Google Developer Expert（機(jī)器學(xué)習(xí)方向），蘭州大學(xué)自動(dòng)駕駛團(tuán)隊(duì)創(chuàng)始人，CSDN博客專家，《無人駕駛原理與實(shí)踐》書籍作者。
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總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的拥抱ROS2系列：ROS2概述和实践入门的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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