《鴻蒙機器人編程》課件-2.2 ROS起源與特色

?NXROBO2023ROS起源及特色SmoothingTheROSLearningCurve本課目的：給出學(xué)習(xí)ROS的有效路徑，加快學(xué)習(xí)速度內(nèi)容：WhatisROS?WhyisROS？Whattolearn？HowtoLearn？?NXROBO20232什么是ROS？RobotOperatingSystem(ROS)是一個適用于機器人的開源的元操作系統(tǒng)。它提供了操作系統(tǒng)應(yīng)有的服務(wù)，包括硬件抽象，底層設(shè)備控制，常用函數(shù)的實現(xiàn)，進程間消息傳遞，以及包管理。它也提供用于獲取、編譯、編寫、和跨計算機運行代碼所需的工具和庫函數(shù)。松耦合點對點進程網(wǎng)絡(luò)，一個分布式的通信框架，幫助程序進程之間更方便地通信。。支持的操作系統(tǒng)ROS主流在基于Unix的平臺上運行。ROS的軟件主要在Ubuntu和MacOSX系統(tǒng)上測試，同時ROS小區(qū)仍持續(xù)支持Fedora，Gentoo，ArchLinux和其它Linux平臺。MicrosoftWindows已開始支時ROS，功能尚待完善。?NXROBO20233什么是ROS？?NXROBO20234從計算圖視角理解ROSROS中可執(zhí)行程序的基本單位叫節(jié)點（node）節(jié)點之間通過消息、服務(wù)、動作等機制進行通信這樣就組成了一張網(wǎng)狀圖，也叫計算圖什么是ROS？?NXROBO20235從文件系統(tǒng)視角理解ROSROS程序的不同組件放在不同的文件夾中文件夾根據(jù)不同的功能對文件進行組織這就是ROS的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)什么是ROS？?NXROBO20236從開源社區(qū)視角理解ROSROS是開源軟件，全球機器人專家分享、貢獻自己的智慧在網(wǎng)絡(luò)社區(qū)分享和貢獻軟件及教程形成了強大的ROS開源社區(qū)ROS的起源?NXROBO20237脫胎于斯坦福的STAIR項目成長于PR2機器人項目，ROS是該項目的軟件部分遵循OS理念：為了提高機器人設(shè)計和開發(fā)的效率避免機器人領(lǐng)域工作者重復(fù)造輪子，統(tǒng)一了開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)ROS的歷史?NXROBO20238為什么學(xué)習(xí)ROS？機器人開發(fā)：軟件開發(fā)的比重越來越大軟件框架選擇：是軟件架構(gòu)設(shè)計中一個重要的決策ROSPlayerYARPOrocosCARMENOrcaMOOSMicrosoftRoboticsStudio?NXROBO20239ROS的優(yōu)勢1，松散耦合的機制方便機器人軟件框架的組織2，最豐富的機器人功能庫方便快速搭建原型3，便利的數(shù)據(jù)記錄、分析、仿真工具，方便調(diào)試4，學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)方便學(xué)習(xí)和交流?NXROBO202310對于開發(fā)者：快速搭建機器人原型?NXROBO202311對于企業(yè)：License許可ROS的核心是BSD許可證。這是一個非常寬松的開放許可證。允許在商業(yè)和閉源產(chǎn)品使用。/licenses/BSD-3-Clause/wiki/BSD_licenses?NXROBO202312對于研究人員：豐富的資源，最新的成果目前學(xué)術(shù)領(lǐng)域大部分最新成果都會發(fā)布ROS的版本“ROS:anopensourceRobotOperatingSystem”(Quigleyetal.,2009):論文引用量9869Source:GoogleScholar2022-07-13

?NXROBO202313最龐大的使用者群體，事實上的機器人標(biāo)準(zhǔn)2018年數(shù)據(jù)：目前在使用操作系統(tǒng)做開發(fā)的人員用戶超過60萬。（個人用戶中國第二）?NXROBO202314官方支持ROS的機器人100+產(chǎn)品：目前已經(jīng)有很多機器人公司采用了ROS系統(tǒng)來開發(fā)一些應(yīng)用于全新市場的產(chǎn)品，如ClearPath，Rethink，Unbounded，Neurala，BlueRiver，BIG-i，最典型的就是WillowGarage的PR2機器人。大公司的支持：Nvidia、博世、高通、英特爾、寶馬以及大疆等。投資機構(gòu)的熱捧：僅2015年，相關(guān)風(fēng)險投資機構(gòu)就在基于ROS操作系統(tǒng)的機器人公司投資了超過1.5億美元。?NXROBO202315代碼統(tǒng)計Thetotallinecountisover14millionlinesofcodeTherehavebeen2477authorsAnd181509commitsAveraging73.3commitsperauthor?NXROBO202316代碼語言cpp:2608592(63.98%)python:553332(13.57%)ansic:297629(7.30%)xml:280615(6.88%)lisp:149439(3.67%)java:135343(3.32%)ruby:26484(0.65%)sh:21120(0.52%)ROS的不足目前基于Ubuntu系統(tǒng)，移植嵌入式系統(tǒng)困難無實時性設(shè)計體積較大系統(tǒng)整體運行效率低總的來說，ROS不擅長開發(fā)對實時性及成本要求嚴(yán)苛的產(chǎn)品。?NXROBO202317一句話概括ROS幫助你快速制作機器人的眾多軟件庫和工具的集合規(guī)定了統(tǒng)一通信接口的松耦合分布式開源軟件框架。最大的好處：即插即用，提供統(tǒng)一軟件接口，事實上的機器人研究的統(tǒng)一平臺。有了統(tǒng)一的平臺，我們才有共同交流的可能，以上也是我們學(xué)習(xí)ROS的主要原因。?NXROBO202318ROS10YearMontage?NXROBO202319/245826128ROS應(yīng)該學(xué)什么？?NXROBO202320入門起步設(shè)計思想核心概念核心模塊核心工具?NXROBO202321設(shè)計思想：分布式架構(gòu)?NXROBO202322核心概念Nodes(節(jié)點)MessagesandTopics(消息與話題)Services(服務(wù))ROSMaster(ROS管理器)Parameters(參數(shù))Stacksandpackages(功能包集與功能包)?NXROBO202323ROSNodes節(jié)點是各自獨立的可執(zhí)行文件，能夠通過話題、服務(wù)或參數(shù)服務(wù)器與其他進程（節(jié)點）通信。ROS通過使用節(jié)點將代碼和功能解耦，提高了系統(tǒng)容錯能力和可維護性，使系統(tǒng)簡化。同時，節(jié)點允許了ROS系統(tǒng)能夠布置在任意多個機器上并同時運行。節(jié)點在系統(tǒng)中必須有唯一的名稱。節(jié)點可以使用不同的庫進行編寫，如roscpp和rospy。roscpp基于C++rospy基于Python。?NXROBO202324ROSTopics話題是節(jié)點間用來傳輸數(shù)據(jù)的總線。

N-to-NPublish/Subscribe模式:同一個話題也可以有很多個訂閱者。使用TCP/IP傳輸，稱為TCPROS，ROS默認(rèn)。使用UDP傳輸，稱為UDPROS，適合于遠(yuǎn)程操控任務(wù)。（低延遲高效率的傳輸方式，但可能產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失）。?NXROBO202325ROSMessages一個節(jié)點通過向特定話題發(fā)布消息。消息具有一定的類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括ROS提供的標(biāo)準(zhǔn)類型和用戶自定義類型。消息的類型標(biāo)準(zhǔn)命名方式進行約定：功能包名稱/.msg文件名。最常用的有g(shù)eometry_msgs/Twist包括線速度和角速度Vectors三維向量?NXROBO202326ROSServices1-to-1Service/Client模型：當(dāng)你需要直接與節(jié)點通信并獲得應(yīng)答時，將無法通過話題實現(xiàn)，這時需要使用服務(wù)。服務(wù)需要由使用者開發(fā)，節(jié)點并不提供標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)。命令行工具：rossrv查看有關(guān)服務(wù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的信息rosservice列出服務(wù)清單和查詢某個服務(wù)?NXROBO202327ROSMaster向ROS系統(tǒng)中其他節(jié)點提供命名和注冊服務(wù)跟蹤和記錄話題的發(fā)布者和訂閱者使ROS節(jié)點之間能夠相互查找。一旦節(jié)點找到了彼此，就能建立一種點對點的通信方式。提供參數(shù)服務(wù)器?NXROBO202328ParameterServer參數(shù)服務(wù)器是可通過網(wǎng)絡(luò)訪問的共享的多變量字典。節(jié)點使用此服務(wù)器來存儲和檢索運行時的參數(shù)。?NXROBO202329ROSPackages功能包（Package）：ROS中軟件組織的基本形式，用于創(chuàng)建ROS程序。它包含源文件、腳本文件、配置文件、可執(zhí)行文件等。本質(zhì)就是一個特殊的文件夾，此文件夾中的文件和子文件夾按前面所說的文件系統(tǒng)的約定來編排，以方便管理、編譯、使用此功能包。功能包管理：package.xml和CMakelists.txt文件，

其中package.xml用來描述此功能包的基本信息，

包括包名、作者、包之間的依賴等。CMakelists.txt

主要描述如何構(gòu)建、編譯此功能包程序。?NXROBO202330ROSPackageSystem?NXROBO202331核心模塊?NXROBO202332ROS

Package種類?NXROBO202333ROS常用命令工具rostopic(Topics)rosservice(Services)rosnode(Nodes)rosparam(Parameters)rosmsg(Messages)rossrv(Services)roswtf(Generaldebugging)?NXROBO202334ROS常用可視化工具?NXROBO2023353D可視化工具Rviz|ROS常用可視化工具?NXROBO202336集成圖形交互界面rqt|怎樣學(xué)習(xí)ROS??NXROBO202337兩種教學(xué)模式InstructionismVs.Constructionism指導(dǎo)主義（

Instructionism）：傳統(tǒng)教學(xué)方式：老師講，學(xué)生聽。特點：開環(huán)，或是死循環(huán)周期過長，等到期末考試或若干年工作后。建造主義（

Constructionism）：Learningbymaking，closetheloopofunderstandingAstepbystepguide?NXROBO202338學(xué)習(xí)步驟安裝:/ROS/Installation官網(wǎng)教程:/ROS/Tutorials建議初學(xué)者認(rèn)真學(xué)完整個“初級”20個教程！?NXROBO202339學(xué)習(xí)步驟聽到最多的問題之一：問：老師，我tutorials做完了，接下來該干什么？答：運行真實的機器人、解決真實的問題！問：沒有機器人怎么辦？答：仿真環(huán)境?NXROBO202340仿真環(huán)境：由易至難Turtlesim一個QT開發(fā)的2D軌跡顯示接口只能顯示運動軌跡ArbotiX含有一個差速驅(qū)動機器人的rviz仿真器機器人運動及topic數(shù)據(jù)的3D顯示Gazebo功能齊全的3D物理仿真工具非常重，對內(nèi)存和顯卡要求高，慎入！?NXROBO202341進階部分結(jié)合硬件平臺和具體應(yīng)用學(xué)習(xí)使用各種packageOpenCV、PCL、MoveIt!、Control、Navigation、SLAM在開發(fā)過程中學(xué)習(xí)使用調(diào)試仿真工具rqt、rviz、Gazebo開發(fā)測試新的機器人算法集成各類package構(gòu)建機器人原型?NXROBO202342ROS版本那么多，該用哪一個？下載使用統(tǒng)計Hydroandearlier:0.17%Indigo:14.50%(LongTermSupport)Jade:0.50%Kinetic:62.89%(LongTermSupport)Lunar:2.70%Melodic:6.49%(LongTermSupport)?NXROBO202343版本選擇建議初學(xué)者：

KineticLinux程序設(shè)計能力比較強的：M