機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）課件11ROS-2簡介

機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）ROS-2簡介11機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）11.ROS-2簡介在過去的十多年時間里，ROS-1已經(jīng)發(fā)展壯大，其擁有龐大的功能包列表，通過幾個小規(guī)模的功能包，用戶就可以創(chuàng)建一個全新的復(fù)雜系統(tǒng)。然而，ROS-1仍然存在以下幾個問題，雖然很多開發(fā)者對其中一些問題提出了針對性的解決方案，但仍然無法解決ROS-1中的根本問題。1）多機(jī)器人系統(tǒng)。多機(jī)器人系統(tǒng)是機(jī)器人領(lǐng)域研究的一個重點問題，可以解決單機(jī)器人性能不足、無法應(yīng)用等問題，但是ROS-1中并沒有構(gòu)建多機(jī)器人系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)方法。2）跨平臺。ROS-1基于Linux系統(tǒng)，在Windows、macOS、RTOS等系統(tǒng)上無法應(yīng)用或者功能有限，這對機(jī)器人開發(fā)者和開發(fā)工具提出了較高要求，也有很大的局限性。3）實時性。很多應(yīng)用場景下的機(jī)器人對實時性要求較高，尤其是工業(yè)領(lǐng)域，系統(tǒng)需要做到硬實時的性能指標(biāo)，但是ROS-1缺少實時性方面的設(shè)計，所以在很多應(yīng)用中捉襟見肘。4）網(wǎng)絡(luò)連接。ROS-1的分布式機(jī)制需要良好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境才能保證數(shù)據(jù)的完整性，而且網(wǎng)絡(luò)不具備數(shù)據(jù)加密、安全防護(hù)等功能，網(wǎng)絡(luò)中的任意主機(jī)都可以獲得節(jié)點發(fā)布或接收的消息數(shù)據(jù)。5）產(chǎn)品化。ROS-1的穩(wěn)定性欠佳，ROSMaster、節(jié)點等重要環(huán)節(jié)在很多情況下會莫名宕機(jī)，這就導(dǎo)致很多機(jī)器人從研究開發(fā)到消費產(chǎn)品的過渡非常艱難。ROS-2的開發(fā)主要就是解決上述情形中遇到的問題。機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）11.1ROS-2概述相比ROS-1，ROS-2的設(shè)計目標(biāo)更加豐富，旨在改進(jìn)可用于實時系統(tǒng)和產(chǎn)品階段解決方案的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。ROS-2的主要設(shè)計目標(biāo)是：1）支持多機(jī)器人系統(tǒng)2）實時通信能力3）直接在硬件層面上提供ROS層4）軟件版本更新（主要是客戶端庫）ROS-2簡化了發(fā)布-訂閱的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，并使其在不同的硬件和軟件組件之間更加可靠，以確保用戶可以更專注與功能和生態(tài)系統(tǒng)。經(jīng)過幾年的alpha和beta版本的發(fā)布，ROS-2于2017年12月推出第一個發(fā)行版——ArdentApalone。截至本書稿撰寫期間，最新的ROS-2版本是GalacticGeochelone，于2021年5月23日發(fā)布.具體的ROS-2發(fā)行版如表11-1所示。機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）11.1ROS-2概述機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）11.2ROS-2基礎(chǔ)ROS-2重新設(shè)計了系統(tǒng)架構(gòu)，可以從圖11-1中看到兩代ROS之間架構(gòu)的變化。在ROS-1中，用戶代碼將連接到ROS客戶端庫（如rospy和roscpp），它們直接與網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點通信；而在ROS-2中，ROS客戶端就像一個抽象層，使用其他節(jié)點通過DDS實現(xiàn)連接到網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行通信的另一層。在ROS-2中，操作系統(tǒng)層與底層硬件層的通信是通過DDS實現(xiàn)完成的。圖中的DDS組件有供應(yīng)商實現(xiàn)，供應(yīng)商不同則具體實現(xiàn)不同。抽象DDS層與ROS-2客戶端庫連接，并通過DDS實現(xiàn)幫助用戶連接代碼。通過這樣的分層抽象，用戶無須感知DDSAPI的存在就可以與操作系統(tǒng)連接。機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）11.2.1DDSDDS（DataDistributionService，數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)），2004年由對象管理組織（ObjectManagementGroup，OMG）發(fā)布，是一種專門為實時系統(tǒng)設(shè)計的數(shù)據(jù)分發(fā)/訂閱標(biāo)準(zhǔn)。DDS最早應(yīng)用于美國海軍，用于解決艦船復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中大量軟件升級的兼容性問題，目前已經(jīng)成為美國國防部的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，同時廣泛應(yīng)用于國防、民航、工業(yè)控制等領(lǐng)域，成為分布式實時系統(tǒng)中數(shù)據(jù)發(fā)布/訂閱的標(biāo)準(zhǔn)解決方案。其技術(shù)關(guān)鍵是以數(shù)據(jù)為核心的發(fā)布/訂閱（Data-CentricPublish-Subscribe，DCPS）模型，可以幫助兩個或多個DDS程序在不使用master的情況下相互通訊。這種DCPS模型創(chuàng)建了一個“全局?jǐn)?shù)據(jù)空間”（GlobalDataSpace）的概念，所有獨立的應(yīng)用都可以訪問。機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）11.2.2計算圖ROS-2遵循與ROS-1相同的計算圖概念，但有一些變化：節(jié)點：在ROS-2中，節(jié)點被稱為參與者。除了可以像ROS-1一樣在計算圖中定義節(jié)點之外，在ROS-2中一個進(jìn)程還可以初始化多個節(jié)點，它們可能位于同一進(jìn)程、不同進(jìn)程或不同機(jī)器中。發(fā)現(xiàn)(discovery)：ROS-1中有一個master的概念可以幫助節(jié)點互相進(jìn)行通信，而ROS-2中則沒有master的概念，而是通過一種稱為“發(fā)現(xiàn)”的機(jī)制實現(xiàn)通信。在默認(rèn)情況下，ROS-2中的DDS標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)提供了一種分布式發(fā)現(xiàn)方法，節(jié)點能夠在網(wǎng)絡(luò)中自動發(fā)現(xiàn)彼此。此機(jī)制有助于實現(xiàn)不同類型的多個機(jī)器人之間的可靠通信。除此之外，我們在前面章節(jié)中看到的其他概念，如消息、話題、參數(shù)服務(wù)器、服務(wù)和數(shù)據(jù)包，對于ROS-2來說都是一樣的。機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）11.2.3社區(qū)層級與ROS-1成熟活躍的社區(qū)氛圍不同，ROS-2社區(qū)目前還在發(fā)展之中。一些研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)都做出了很好的貢獻(xiàn)。由于ROS-2在2014年才開始開發(fā)，因此關(guān)于ROS-2的研究和工具還有很多需要關(guān)注的問題，這是因為通過開源社區(qū)實現(xiàn)實時系統(tǒng)需要克服巨大的困難。OSRF與提供DDS實現(xiàn)并為社區(qū)做出貢獻(xiàn)的供應(yīng)商進(jìn)行了很好的溝通。目前ROS-1在其倉庫中有2000多個功能包，而ROS-2還只有100多個。最新的ROS-2頁面的網(wǎng)址為/doc/ros2/。機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）11.3ROS-2中的通信前面我們所學(xué)習(xí)的是ROS-1通信模型，也就是話題、服務(wù)等通信機(jī)制。ROS-2的通信模型會稍顯復(fù)雜，加入了很多DDS的通信機(jī)制，如圖11-2所示?；贒DS的ROS-2通信模型包含以下幾個關(guān)鍵概念。參與者（Participant）在DDS中，每一個發(fā)布者或者訂閱者都稱為參與者，對應(yīng)于一個使用DDS的用戶，可以使用某種定義好的數(shù)據(jù)類型來讀/寫全局?jǐn)?shù)據(jù)空間。發(fā)布者（Publisher）數(shù)據(jù)發(fā)布的執(zhí)行者，支持多種數(shù)據(jù)類型的發(fā)布，可以與多個數(shù)據(jù)寫入器（DataWriter）相連，發(fā)布一種或多種話題（Topic）的消息。訂閱者（Subscriber）數(shù)據(jù)訂閱的執(zhí)行者，支持多種數(shù)據(jù)類型的訂閱，可以與多個數(shù)據(jù)讀取器（DataReader）相連，訂閱一種或多種話題（Topic）的消息。數(shù)據(jù)寫入器（DataWriter）上層應(yīng)用向發(fā)布者更新數(shù)據(jù)的對象，每個數(shù)據(jù)寫入器對應(yīng)一個特定的話題（Topic），類似于ROS-1中的一個消息發(fā)布者。數(shù)據(jù)讀取器（DataReader）上層應(yīng)用從訂閱者讀取數(shù)據(jù)的對象，每個數(shù)據(jù)讀取器對應(yīng)一個特定的話題（Topic），類似于ROS-1中的一個消息訂閱者。話題（Topic）與ROS-1中的概念類似，話題需要定義一個名稱和一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，但ROS2中的每個話題都是一個實例，可以存儲該話題中的歷史消息數(shù)據(jù)。質(zhì)量服務(wù)原則（QualityofServicePolicy）質(zhì)量服務(wù)原則簡稱QoSPolicy，這是ROS-2中新增的、也是非常重要的一個概念，控制各方面與底層的通信機(jī)制，主要從時間限制、可靠性、持續(xù)性、歷史記錄這幾個方面滿足用戶針對不同場景的數(shù)據(jù)需求。機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）11.3ROS-2中的通信基于DDS的ROS-2通信模型包含以下幾個關(guān)鍵概念。參與者（Participant）在DDS中，每一個發(fā)布者或者訂閱者都稱為參與者，對應(yīng)于一個使用DDS的用戶，可以使用某種定義好的數(shù)據(jù)類型來讀/寫全局?jǐn)?shù)據(jù)空間。發(fā)布者（Publisher）數(shù)據(jù)發(fā)布的執(zhí)行者，支持多種數(shù)據(jù)類型的發(fā)布，可以與多個數(shù)據(jù)寫入器（DataWriter）相連，發(fā)布一種或多種話題（Topic）的消息。訂閱者（Subscriber）數(shù)據(jù)訂閱的執(zhí)行者，支持多種數(shù)據(jù)類型的訂閱，可以與多個數(shù)據(jù)讀取器（DataReader）相連，訂閱一種或多種話題（Topic）的消息。數(shù)據(jù)寫入器（DataWriter）上層應(yīng)用向發(fā)布者更新數(shù)據(jù)的對象，每個數(shù)據(jù)寫入器對應(yīng)一個特定的話題（Topic），類似于ROS-1中的一個消息發(fā)布者。數(shù)據(jù)讀取器（DataReader）上層應(yīng)用從訂閱者讀取數(shù)據(jù)的對象，每個數(shù)據(jù)讀取器對應(yīng)一個特定的話題（Topic），類似于ROS-1中的一個消息訂閱者。話題（Topic）與ROS-1中的概念類似，話題需要定義一個名稱和一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，但ROS2中的每個話題都是一個實例，可以存儲該話題中的歷史消息數(shù)據(jù)。質(zhì)量服務(wù)原則（QualityofServicePolicy）質(zhì)量服務(wù)原則簡稱QoSPolicy，這是ROS-2中新增的、也是非常重要的一個概念，控制各方面與底層的通信機(jī)制，主要從時間限制、可靠性、持續(xù)性、歷史記錄這幾個方面滿足用戶針對不同場景的數(shù)據(jù)需求。機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）11.4安裝ROS-21.添加軟件源$sudoaptupdate&&sudoaptinstallcurl

$curl/repos.key|sudoapt-keyadd–

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

$sudoaptinstall`aptlistros-ardent-*2>/dev/null|grep"/"|awk-F/'{print$1}'|grep-v-eros-ardent-ros1-bridge-eros-ardent-turtlebot2-|tr"\n"""`3.設(shè)置環(huán)境變量$source/opt/ros/ardent/setup.bash如果安裝了Python包——argcomplete，還需要設(shè)置以下環(huán)境變量：$source/opt/ros/ardent/share/ros2cli/environment/ros2-argcomplete.bash4.配置ROSMiddleware（RMW）DDS是ROS-2中的重要部分，ROS-2默認(rèn)使用的RMW是FastRPTS，我們也可以通過以下環(huán)境變量將默認(rèn)的RMW修改為OpenSplice：RMW_IMPLEMENTATION=rmw_opensplice_cpp5.安裝依賴ROS1的功能包ROS2在很長一段時間內(nèi)會與ROS1并存，所以目前很多ROS2中的功能包需要依賴ROS1中的功能包，ROS2也提供了與ROS1之間通信的橋梁——ros1_bridge。在安裝這些與ROS1有依賴關(guān)系的功能包之前，需要系統(tǒng)已經(jīng)成功安裝有ROS1，然后才能通過以下命令安裝ROS2的功能包：$sudoaptupdate

$sudoaptinstallros-ardent-ros1-bridgeros-ardent-turtlebot2-*按照以上方法安裝完成后，就可以使用ROS2的命令了。ROS2的默認(rèn)安裝路徑依然是在Ubuntu系統(tǒng)的/opt/ros路徑下。機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）11.5本章小