ROS2：从初识到深入，探索机器人操作系统的进化之路

ROS2：从初识到深入，探索机器人操作系统的进化之路

ROS2（机器人操作系统2）是机器人领域的重要开发平台，它在ROS1的基础上进行了全面升级，提供了更好的多机器人协作能力、跨平台支持、实时性能和网络安全性。本文将从ROS的发展历程出发，详细介绍ROS2的核心概念、安装方法和基本使用，帮助读者快速掌握这一强大的机器人开发工具。

ROS的发展历程

ROS（Robot Operating System）最早诞生于2007年的斯坦福大学，最初是为PR2机器人项目开发的软件框架。2010年，随着PR2机器人的发布，其中的软件正式确定了名称，即机器人操作系统（Robot Operating System），简称ROS。2014年起，ROS跟随Ubuntu系统，每两年推出一个长期支持版，每个版本支持五年时间，这标志着ROS的成熟，也让ROS加快了普及的步伐。在2022年5月底，迎来了ROS2第一个长期支持版——ROS2 Humble，ROS2已经成熟，我们也进入了一个全新的ROS2时代。

ROS的相关社区

ROS在全球范围内拥有活跃的开发者社区，主要网站包括：

• answers.ros.org：这是一个ROS问答网站，开发者可以在这里提出任何关于ROS的问题，全球很多开发者都很乐意回答。
• wiki.ros.org：这是ROS的维基百科，记录了ROS教程和各种功能包的使用。
• discourse.ros.org：这是ROS论坛，关于ROS开发的新鲜事都可以在这里发表和查看，比如ROS的活动、新功能包的发布等。
• index.ros.org：是ROS各种资源的一个索引网站。
• packages.ros.org：是ROS功能包存储的数据库。

ROS与ROS2的对比

ROS最早的设计目标是开发PR2家庭服务机器人，这款机器人搭载了工作站级别的计算平台和各种先进的通信设备，主要用于学术研究。随着ROS的普及，应用ROS的机器人类型已经发生了巨大变化，不再局限于PR2这样的高端机器人。为了适应各种不同场景的机器人应用，ROS2应运而生，具有以下优势：

1. 多机器人系统：ROS2为多机器人系统的应用提供了标准方法和通信机制。
2. 跨平台支持：ROS2可以跨平台运行于Linux、Windows、MacOS、RTOS，甚至是没有任何系统的微控制器（MCU）上。
3. 实时性：ROS2为机器人运动控制和行为策略提供了实时性保障。
4. 网络连接：无论在怎样的网络环境下，ROS2都可以尽量保障机器人大量数据的完整性和安全性。
5. 产品化：ROS2不仅可以用于机器人研发阶段，还可以直接搭载在产品中，走向消费市场。
6. 项目管理：ROS2提供了全流程的项目管理工具和机制，更方便开发一款机器人。

DDS的介绍

DDS（Data Distribution Service）是物联网中广泛应用的一种通信协议，类似于5G通信。ROS2通过DDS实现了更可靠的通信机制。为了提高软件复用率，ROS2设计了一个ROS Middleware（RMW），定义了标准的通信接口，使得不同厂家的DDS系统可以轻松适配。

ROS2的核心概念

ROS2的核心概念包括节点（Node）、话题（Topic）、服务（Service）、动作（Action）等。节点是ROS2的基本单元，可以发布和接收数据；话题用于节点间的数据传输；服务用于节点间的请求响应；动作则用于长时间运行的任务。

ROS2的安装

在Ubuntu 20.04系统上安装ROS2 Foxy Fitzroy的步骤如下：

1. 设置编码：

   sudo apt update && sudo apt install locales
   sudo locale-gen en_US en_US.UTF-8
   sudo update-locale LC_ALL=en_US.UTF-8 LANG=en_US.UTF-8
   export LANG=en_US.UTF-8
   

2. 添加源：

   sudo apt update && sudo apt install curl gnupg lsb-release
   sudo curl -sSL https://raw.githubusercontent.com/ros/rosdistro/master/ros.key -o /usr/share/keyrings/ros-archive-keyring.gpg
   echo "deb [arch=$(dpkg --print-architecture) signed-by=/usr/share/keyrings/ros-archive-keyring.gpg] http://packages.ros.org/ros2/ubuntu $(source /etc/os-release && echo $UBUNTU_CODENAME) main" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/ros2.list > /dev/null
   

3. 安装ROS2：

   sudo apt update
   sudo apt upgrade
   sudo apt install ros-foxy-desktop
   

4. 设置环境变量：

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

ROS2的测试

安装完成后，可以通过以下命令测试ROS2的通信系统：

1. 在第一个终端启动数据发布者节点：

   ros2 run demo_nodes_cpp talker
   

2. 在第二个终端启动数据订阅者节点：

   ros2 run demo_nodes_py listener
   

如果看到持续输出的"hello world"信息，说明ROS2通信系统正常工作。

ROS2的命令行使用

ROS2提供了丰富的命令行工具，常用的命令包括：

• 运行节点：

  ros2 run turtlesim turtlesim_node
  

• 查看节点信息：

  ros2 node list
  ros2 node info /turtlesim
  

• 查看话题信息：

  ros2 topic list
  ros2 topic echo /turtle1/pose
  

开发环境配置

推荐使用VSCode作为开发环境，安装以下插件：

• Python插件
• C++插件
• CMake插件
• vscode-icons
• ROS插件
• Msg Language Support
• URDF插件
• Markdown All in One

通过本文的介绍，读者可以全面了解ROS2的核心概念、安装方法和基本使用，为深入学习和开发机器人应用打下坚实的基础。