认识ROS

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简介

ROS 是一个适用于机器人的开源的元操作系统。它提供了操作系统应有的服务，包括硬件抽象，底层设备控制，常用函数的实现，进程间消息传递，以及包管理。它也提供用于获取、编译、编写、和跨计算机运行代码所需的工具和库函数。

ROS的运行架构是一种使用ROS通信模块实现模块间P2P的松耦合的网络连接的处理架构，它执行若干种类型的通讯，包括：

1. 基于服务的同步RPC（远程过程调用）通讯；
2. 基于Topic的异步数据流通讯，还有参数服务器上的数据存储。

自从2007年ROS开始以来，伴随着机器人技术的大发展，ROS的核心思想和基本软件包逐渐完善并发布了不同的ROS发行版本。下面是当前和历史的ROS发行版列表，表中以绿色标记的行是当前支持的发行版。

ROS虽然仍是机器人领域的开发利器，但介于最初设计时的局限性，也逐渐暴露出不少问题。比如：实时性差、系统开销大、对Python3支持不友好、没有加密机制安全性不高等问题。不少开发者和研究机构还针对ROS的局限性进行了改良，但这些局部功能的改善往往很难带来整体性能的提升。在ROSCon 2014上，新一代ROS的设计架构（Next-generation ROS: Building on DDS）正式公布，2015年8月31日第一个ROS2.0的alpha版本落地，之后也发布了不同的发行版本。下面是当前和历史的ROS2发行版列表，表中以绿色标记的行是当前支持的发行版。

架构

ROS总体架构如下图所示：

1. OS层

• ROS1主要构建于Linux系统之上，ROS2带来了改变，支持构建的系统包括Linux、Windows、Mac、RTOS，甚至没有操作系统的裸机。

2. 中间件

• ROS中最重要的一个概念就是基于发布/订阅模型的“节点”，可以让开发者并行开发低耦合的功能模块，并且便于二次复用。ROS1的通讯系统基于TCPROS/UDPROS，而ROS2的通讯系统基于DDS。DDS是一种分布式实时系统中数据发布/订阅的标准解决方案，下一小节会具体讲解。ROS2内部提供了DDS的抽象层实现，用户不需要关注底层DDS的提供厂家。
• 在ROS1的架构中Nodelet和TCPROS/UDPROS是并列的层次，为同一个进程中的多个节点提供一种更优化的数据传输方式。ROS2中也保留了这种数据传输方式，只不过换了一个名字，叫做“Intra-process”，同样也是独立于DDS。

3. 应用层

• ROS1强依赖于ROS Master，可以想像一旦Master宕机，整个系统会面临如何的窘境。但是从右边ROS2的架构中我们可以发现，之前让人耿耿于怀的Master终于消失了，节点之间使用一种称为“Discovery”的发现机制来获取彼此的信息。