ROS机器人操作系统是什么？

什么是 ROS？

一个非常重要的概念：ROS 不是一个传统意义上的操作系统（如 Windows, Linux, Android），它更像是一个为机器人软件开发的、灵活的框架和工具集，构建在标准的操作系统（通常是 Ubuntu）之上。

您可以把它想象成机器人的“软件中间件”或“开发平台”，它提供了一系列库、工具、约定和协议，极大地简化了机器人应用程序的编写、调试、通信和部署。

核心目标：

• 代码复用：让开发者可以轻松地共享和重用他人的代码。
• 模块化：将复杂的机器人系统拆分成独立、可协作的模块（节点）。
• 快速原型开发：提供丰富的工具,让开发者能快速测试和迭代想法。
• 生态系统：拥有庞大而活跃的全球社区，为各种机器人（从轮式机器人到人形机器人、无人机）提供了大量的软件包。

ROS 的核心概念与架构

理解 ROS 的关键在于理解其分布式、进程化的架构，一个 ROS 程序通常由多个独立的进程（称为“节点”）组成，这些节点通过网络（或本地主机）进行通信。

节点

• 定义：一个节点就是一个独立的可执行程序，它可以是一个传感器驱动程序、一个算法（如 SLAM 或路径规划）、一个视觉处理器,或者一个简单的控制脚本。
• 特点：每个节点只负责一项特定任务，一个节点可能专门负责读取激光雷达的数据,另一个节点专门负责根据这些数据规划路径。
• 命名：每个节点都有一个唯一的名称，/laser_scan_publisher 或 /move_base。

消息

• 定义：节点之间通信的数据载体，消息是一个简单的数据结构，包含一系列字段（类似 C 语言的结构体或 Python 的类）。
• 特点：消息是强类型的,发送方和接收方必须使用同一种类型的消息才能通信。
• 自定义：用户可以定义自己的消息类型，例如一个包含 x, y, theta 位置的 Pose2D 消息。
• 序列化：消息在通过网络传输时会被序列化（转换为字节流）,在接收端再反序列化。

话题

• 定义：节点之间最主要的通信方式，是一种异步的发布/订阅模式。
• 工作方式：
  • 发布者：向某个话题发布消息，它不关心谁在订阅,只管发布。
  • 订阅者：订阅某个话题，接收所有发布到该话题的消息,它不关心消息是谁发布的。
• 类比：就像一个广播电台（发布者）向特定频率（话题）广播节目（消息），任何调到这个频率的收音机（订阅者）都能收听到。
• 特点：一对多,一个发布者可以对应多个订阅者。

服务

• 定义：另一种通信方式，是一种同步的请求/响应模式。
• 工作方式：
  • 客户端：向服务器发送一个请求,并等待响应。
  • 服务器：接收请求，进行处理,然后返回一个响应。
• 类比：就像打电话，你（客户端）拨号（请求），对方（服务器）接听并回答（响应），然后通话结束,你不能同时进行多个通话。
• 特点：一对一,一个请求必须得到一个响应。

参数服务器

• 定义：一个共享的、全局的“键-值”存储服务器。
• 用途：用于存储和配置系统的静态参数，例如机器人的尺寸、传感器的校准值、算法的阈值等。
• 特点：所有节点都可以通过 rosparam 命令或 API 读取和写入参数，参数在系统启动时加载,可以在运行时动态修改。

工具

ROS 提供了大量的命令行工具来管理和调试系统,其中最核心的是：

• roscore：ROS 的主控程序，在运行任何 ROS 程序之前，必须先运行 roscore，它会启动：
  • ROS Master (rosout)：ROS 的命名服务器，负责管理话题、服务等。
  • Parameter Server：参数服务器。
  • rosout：ROS 的日志系统。
• rosnode：列出和查看节点信息，如 rosnode list, rosnode info /node_name。
• rostopic：查看和交互话题，如 rostopic list, rostopic echo /topic_name (打印消息内容), rostopic hz /topic_name (发布频率)。
• rosservice：列出和调用服务，如 rosservice list, rosservice call /service_name。
• rosparam：操作参数服务器，如 rosparam list, rosparam get /param_name, rosparam set /param_name。
• rqt：一个强大的图形化工具集，可以替代多个命令行工具，提供可视化的节点图、话题监视器、参数编辑器等。

ROS 的版本与发行版

ROS 有两个主要版本系列，ROS 1 和 ROS 2,它们在设计哲学和架构上有显著不同。

ROS 1

• 架构：基于中心化的 ROS Master，所有节点都必须先连接到 Master 才能发现彼此,这是一个单点故障源。
• 通信：主要使用 TCP/IP。
• 并发模型：使用单线程的“回调队列”，一个节点在同一时间只能处理一个回调，如果某个回调耗时过长,会影响整个节点的性能。
• 发行版：以版本号命名，如 Noetic (最后一个 LTS 版本, 基于 Ubuntu 20.04), Melodic, Kinetic，每个发行版通常与一个特定的 Ubuntu 版本绑定。

ROS 2

• 诞生原因：为了解决 ROS 1 的局限性，特别是实时性、安全性、多机器人系统和大规模部署等问题。
• 架构：去中心化。不依赖 ROS Master，节点之间通过 DDS (Data Distribution Service) 的发现机制自动找到彼此,更加健壮和可扩展。
• 通信：默认使用 UDP,并支持高质量的实时传输。
• 并发模型：使用多线程，每个节点可以运行多个线程，充分利用多核 CPU 的性能，解决了 ROS 1 的回调阻塞问题。
• 安全性：内置了安全机制，可以对节点、用户、数据进行认证和授权。
• 发行版：以代码名称命名，基于 Ubuntu LTS 版本，最新的稳定版是 Humble Hawksbill (基于 Ubuntu 22.04)。

如何开始学习 ROS？

选择版本

• 新手入门/学术研究：可以从 ROS 1 Noetic 开始，因为它拥有最多的教程、文档和现成的软件包,社区支持最广泛。
• 面向未来/工业界/高性能需求：强烈建议直接学习 ROS 2 Humble，虽然初期资源可能不如 ROS 1 丰富，但它是未来的方向,架构更优。

安装

• ROS 1 Noetic: 在 Ubuntu 20.04 上安装，官方有详细的安装教程。
• ROS 2 Humble: 在 Ubuntu 22.04 上安装，官方有详细的安装教程。

学习路径

1. 掌握基本命令：熟练使用 roscore, rosnode, rostopic, rosservice, rosparam 等命令行工具，这是调试和 ROS 交互的基础。
2. 编写简单的节点：学习使用 Python 或 C++ 编写自己的发布者和订阅者节点，这是理解 ROS 通信机制的关键一步。
3. 理解工作空间：学习创建和使用 catkin (ROS 1) 或 colcon (ROS 2) 工作空间来管理自己的代码包。
4. 使用现成的软件包：尝试运行一些现成的机器人仿真，如 TurtleBot3 或 Gazebo 中的模型，这能让你体验到 ROS 的强大之处。
5. 深入核心概念：学习服务、动作、TF（坐标变换）、URDF（机器人描述文件）等更高级的概念。
6. 实践项目：找一个感兴趣的项目，比如让机器人实现 SLAM 和导航，或者用摄像头进行物体识别,将所学知识融会贯通。

ROS 是现代机器人学领域不可或缺的基石，它通过其模块化、可重用的设计,极大地推动了机器人技术的发展。

• ROS 1 是一个成熟、庞大的生态系统,非常适合学习和快速原型开发。
• ROS 2 则代表了未来，它在性能、可靠性和安全性上对 ROS 1 进行了全面的革新,是构建下一代复杂机器人系统的理想选择。

对于任何有志于从事机器人开发的人来说，学习 ROS 都是一项极具价值的投资。

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