机器人操作系统（ROS）课件11ROS-2简介

机器人操作系统（ROS）机器人操作系统（ROS）ROS-2简介11机器人操作系统（ROS）11.ROS-2简介在过去的十多年时间里，ROS-1已经发展壮大，其拥有庞大的功能包列表，通过几个小规模的功能包，用户就可以创建一个全新的复杂系统。然而，ROS-1仍然存在以下几个问题，虽然很多开发者对其中一些问题提出了针对性的解决方案，但仍然无法解决ROS-1中的根本问题。1）多机器人系统。多机器人系统是机器人领域研究的一个重点问题，可以解决单机器人性能不足、无法应用等问题，但是ROS-1中并没有构建多机器人系统的标准方法。2）跨平台。ROS-1基于Linux系统，在Windows、macOS、RTOS等系统上无法应用或者功能有限，这对机器人开发者和开发工具提出了较高要求，也有很大的局限性。3）实时性。很多应用场景下的机器人对实时性要求较高，尤其是工业领域，系统需要做到硬实时的性能指标，但是ROS-1缺少实时性方面的设计，所以在很多应用中捉襟见肘。4）网络连接。ROS-1的分布式机制需要良好的网络环境才能保证数据的完整性，而且网络不具备数据加密、安全防护等功能，网络中的任意主机都可以获得节点发布或接收的消息数据。5）产品化。ROS-1的稳定性欠佳，ROSMaster、节点等重要环节在很多情况下会莫名宕机，这就导致很多机器人从研究开发到消费产品的过渡非常艰难。ROS-2的开发主要就是解决上述情形中遇到的问题。机器人操作系统（ROS）11.1ROS-2概述相比ROS-1，ROS-2的设计目标更加丰富，旨在改进可用于实时系统和产品阶段解决方案的通信网络架构。ROS-2的主要设计目标是：1）支持多机器人系统2）实时通信能力3）直接在硬件层面上提供ROS层4）软件版本更新（主要是客户端库）ROS-2简化了发布-订阅的基础结构，并使其在不同的硬件和软件组件之间更加可靠，以确保用户可以更专注与功能和生态系统。经过几年的alpha和beta版本的发布，ROS-2于2017年12月推出第一个发行版——ArdentApalone。截至本书稿撰写期间，最新的ROS-2版本是GalacticGeochelone，于2021年5月23日发布.具体的ROS-2发行版如表11-1所示。机器人操作系统（ROS）11.1ROS-2概述机器人操作系统（ROS）11.2ROS-2基础ROS-2重新设计了系统架构，可以从图11-1中看到两代ROS之间架构的变化。在ROS-1中，用户代码将连接到ROS客户端库（如rospy和roscpp），它们直接与网络中的其他节点通信；而在ROS-2中，ROS客户端就像一个抽象层，使用其他节点通过DDS实现连接到网络中进行通信的另一层。在ROS-2中，操作系统层与底层硬件层的通信是通过DDS实现完成的。图中的DDS组件有供应商实现，供应商不同则具体实现不同。抽象DDS层与ROS-2客户端库连接，并通过DDS实现帮助用户连接代码。通过这样的分层抽象，用户无须感知DDSAPI的存在就可以与操作系统连接。机器人操作系统（ROS）11.2.1DDSDDS（DataDistributionService，数据分发服务），2004年由对象管理组织（ObjectManagementGroup，OMG）发布，是一种专门为实时系统设计的数据分发/订阅标准。DDS最早应用于美国海军，用于解决舰船复杂网络环境中大量软件升级的兼容性问题，目前已经成为美国国防部的强制标准，同时广泛应用于国防、民航、工业控制等领域，成为分布式实时系统中数据发布/订阅的标准解决方案。其技术关键是以数据为核心的发布/订阅（Data-CentricPublish-Subscribe，DCPS）模型，可以帮助两个或多个DDS程序在不使用master的情况下相互通讯。这种DCPS模型创建了一个“全局数据空间”（GlobalDataSpace）的概念，所有独立的应用都可以访问。机器人操作系统（ROS）11.2.2计算图ROS-2遵循与ROS-1相同的计算图概念，但有一些变化：节点：在ROS-2中，节点被称为参与者。除了可以像ROS-1一样在计算图中定义节点之外，在ROS-2中一个进程还可以初始化多个节点，它们可能位于同一进程、不同进程或不同机器中。发现(discovery)：ROS-1中有一个master的概念可以帮助节点互相进行通信，而ROS-2中则没有master的概念，而是通过一种称为“发现”的机制实现通信。在默认情况下，ROS-2中的DDS标准实现提供了一种分布式发现方法，节点能够在网络中自动发现彼此。此机制有助于实现不同类型的多个机器人之间的可靠通信。除此之外，我们在前面章节中看到的其他概念，如消息、话题、参数服务器、服务和数据包，对于ROS-2来说都是一样的。机器人操作系统（ROS）11.2.3社区层级与ROS-1成熟活跃的社区氛围不同，ROS-2社区目前还在发展之中。一些研究机构和企业都做出了很好的贡献。由于ROS-2在2014年才开始开发，因此关于ROS-2的研究和工具还有很多需要关注的问题，这是因为通过开源社区实现实时系统需要克服巨大的困难。OSRF与提供DDS实现并为社区做出贡献的供应商进行了很好的沟通。目前ROS-1在其仓库中有2000多个功能包，而ROS-2还只有100多个。最新的ROS-2页面的网址为/doc/ros2/。机器人操作系统（ROS）11.3ROS-2中的通信前面我们所学习的是ROS-1通信模型，也就是话题、服务等通信机制。ROS-2的通信模型会稍显复杂，加入了很多DDS的通信机制，如图11-2所示。基于DDS的ROS-2通信模型包含以下几个关键概念。参与者（Participant）在DDS中，每一个发布者或者订阅者都称为参与者，对应于一个使用DDS的用户，可以使用某种定义好的数据类型来读/写全局数据空间。发布者（Publisher）数据发布的执行者，支持多种数据类型的发布，可以与多个数据写入器（DataWriter）相连，发布一种或多种话题（Topic）的消息。订阅者（Subscriber）数据订阅的执行者，支持多种数据类型的订阅，可以与多个数据读取器（DataReader）相连，订阅一种或多种话题（Topic）的消息。数据写入器（DataWriter）上层应用向发布者更新数据的对象，每个数据写入器对应一个特定的话题（Topic），类似于ROS-1中的一个消息发布者。数据读取器（DataReader）上层应用从订阅者读取数据的对象，每个数据读取器对应一个特定的话题（Topic），类似于ROS-1中的一个消息订阅者。话题（Topic）与ROS-1中的概念类似，话题需要定义一个名称和一种数据结构，但ROS2中的每个话题都是一个实例，可以存储该话题中的历史消息数据。质量服务原则（QualityofServicePolicy）质量服务原则简称QoSPolicy，这是ROS-2中新增的、也是非常重要的一个概念，控制各方面与底层的通信机制，主要从时间限制、可靠性、持续性、历史记录这几个方面满足用户针对不同场景的数据需求。机器人操作系统（ROS）11.3ROS-2中的通信基于DDS的ROS-2通信模型包含以下几个关键概念。参与者（Participant）在DDS中，每一个发布者或者订阅者都称为参与者，对应于一个使用DDS的用户，可以使用某种定义好的数据类型来读/写全局数据空间。发布者（Publisher）数据发布的执行者，支持多种数据类型的发布，可以与多个数据写入器（DataWriter）相连，发布一种或多种话题（Topic）的消息。订阅者（Subscriber）数据订阅的执行者，支持多种数据类型的订阅，可以与多个数据读取器（DataReader）相连，订阅一种或多种话题（Topic）的消息。数据写入器（DataWriter）上层应用向发布者更新数据的对象，每个数据写入器对应一个特定的话题（Topic），类似于ROS-1中的一个消息发布者。数据读取器（DataReader）上层应用从订阅者读取数据的对象，每个数据读取器对应一个特定的话题（Topic），类似于ROS-1中的一个消息订阅者。话题（Topic）与ROS-1中的概念类似，话题需要定义一个名称和一种数据结构，但ROS2中的每个话题都是一个实例，可以存储该话题中的历史消息数据。质量服务原则（QualityofServicePolicy）质量服务原则简称QoSPolicy，这是ROS-2中新增的、也是非常重要的一个概念，控制各方面与底层的通信机制，主要从时间限制、可靠性、持续性、历史记录这几个方面满足用户针对不同场景的数据需求。机器人操作系统（ROS）11.4安装ROS-21.添加软件源$sudoaptupdate&&sudoaptinstallcurl

$curl/repos.key|sudoapt-keyadd–

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

$sudoaptinstall`aptlistros-ardent-*2>/dev/null|grep"/"|awk-F/'{print$1}'|grep-v-eros-ardent-ros1-bridge-eros-ardent-turtlebot2-|tr"\n"""`3.设置环境变量$source/opt/ros/ardent/setup.bash如果安装了Python包——argcomplete，还需要设置以下环境变量：$source/opt/ros/ardent/share/ros2cli/environment/ros2-argcomplete.bash4.配置ROSMiddleware（RMW）DDS是ROS-2中的重要部分，ROS-2默认使用的RMW是FastRPTS，我们也可以通过以下环境变量将默认的RMW修改为OpenSplice：RMW_IMPLEMENTATION=rmw_opensplice_cpp5.安装依赖ROS1的功能包ROS2在很长一段时间内会与ROS1并存，所以目前很多ROS2中的功能包需要依赖ROS1中的功能包，ROS2也提供了与ROS1之间通信的桥梁——ros1_bridge。在安装这些与ROS1有依赖关系的功能包之前，需要系统已经成功安装有ROS1，然后才能通过以下命令安装ROS2的功能包：$sudoaptupdate

$sudoaptinstallros-ardent-ros1-bridgeros-ardent-turtlebot2-*按照以上方法安装完成后，就可以使用ROS2的命令了。ROS2的默认安装路径依然是在Ubuntu系统的/opt/ros路径下。机器人操作系统（ROS）11.5本章小