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终于有人把ROS机器人操作系统讲明白了

news 来源：原创 2024/5/18 15:03:54

导读：机器人是多专业知识交叉的学科，通常涉及传感器、驱动程序、多机通信、机械结构、算法等，为了更高效地进行机器人的研究和开发，选择一个通用的开发框架非常必要，ROS（Robot Operating System，机器人操作系统）就是流行的框架之一。

本文将带领大家了解和使用ROS，掌握ROS的核心概念，为后续学习打好基础。

作者：张虎

来源：大数据DT（ID：hzdashuju）

01 ROS简介

可能很多初学者听到机器人操作系统，就被“操作系统”几个字吓住了。其实简单点说，ROS就是一个分布式的通信框架，帮助程序进程之间更方便地通信。

一个机器人通常包含多个部件，每个部件都有配套的控制程序，以实现机器人的运动与视听功能等。那么要协调一个机器人中的这些部件，或者协调由多个机器人组成的机器人集群，怎么办呢？这时就需要让分散的部件能够互相通信，在多机器人集群中，这些分散的部件还分散在不同的机器人上。解决这种分布式通信问题正是ROS的设计初衷。

随着越来越多的人参与ROS开发及源码贡献，社区涌现出大量的第三方工具和实用开源软件包，使ROS变成现在的样子。

一个经常让初学者困惑的地方是，学会了ROS就是学会机器人开发了吗？当然不是，严格意义上讲ROS只是一套通信框架而已，机器人中的各种算法和应用程序依然是用C++、Python等常见编程语言进行开发的。

1. ROS的性能特色

在正式学习ROS之前，先介绍ROS的几个特性，即元操作系统、分布式通信机制、松耦合软件框架、丰富的开源功能库等，来帮大家建立一些感性的认识。

ROS是一个机器人领域的元操作系统。也就是说，它并不是真正意义上的操作系统，其底层的任务调度、编译、设备驱动等还是由它的原生操作系统Ubuntu Linux完成。

ROS实际上是运行在Ubuntu Linux上的亚操作系统，或者说软件框架，但提供硬件抽象、函数调用、进程管理这些类似操作系统的功能，也提供用于获取、编译、跨平台的函数和工具。

ROS的核心思想就是将机器人的软件功能做成一个个节点，节点之间通过互相发送消息进行沟通。这些节点可以部署在同一台主机上，也可以部署在不同主机上，甚至还可以部署在互联网上。ROS网络通信机制中的主节点（master）负责对网络中各个节点之间的通信过程进行管理调度，同时提供一个用于配置网络中全局参数的服务。

ROS是松耦合软件框架，利用分布式通信机制实现节点间的进程通信。ROS的软件代码以松耦合方式组织，开发过程灵活，管理维护方便。

ROS具有丰富的开源功能库。ROS是基于BSD（Berkeley Software Distribution，伯克利软件发行）协议的开源软件，允许任何人修改、重用、重发布以及在商业和闭源产品中使用，使用ROS能够快捷地搭建自己的机器人原型。

2. ROS的发行版本

与Linux发行版类似，ROS发行版内置了一系列常用功能包，即将ROS系统打包安装到原生系统中。ROS最初是基于Ubuntu系统开发的，ROS的发行版本名称也和Ubuntu采用了同样的规则，即版本名称由两个相同首字母的英文单词组成，版本首字母按字母表递增顺序选取，图1-1展示了ROS的一些主要版本。

▲图1-1 ROS的主要版本

3. ROS的学习方法

要想学好以及用好ROS，需要进行大量的实践操作。因此在快速了解ROS的核心概念和编程范式后，就要结合大量的实际项目来深入理解ROS。学会用正确的方式解决问题，能帮你更快地提高能力。ROS的学习资源主要有以下几个。

官网：www.ros.org
源码：github.com
Wiki：wiki.ros.org
问答：answers.ros.org

02 ROS系统架构

安装完ROS后，很多朋友应该迫不及待想立马开始写程序。由于ROS的架构比较复杂，为了后面容易理解遇到的各种概念，这里先讨论一下ROS的系统架构，好让大家对ROS中的各种概念有全面性把控。按照官方的说法，可以分别从计算图、文件系统和开源社区视角来理解ROS架构。

1. 从计算图视角理解ROS架构

ROS中可执行程序的基本单位叫节点（node），节点之间通过消息机制进行通信，这样就组成了一张网状图，也叫计算图，如图1-3所示。

▲图1-3 ROS的计算图结构

节点是可执行程序，通常也叫进程。ROS功能包中创建的每个可执行程序在被启动加载到系统进程中后，就是一个ROS节点，如图1-3中的节点1、节点2、节点3等。

节点之间通过收发消息进行通信，消息收发机制分为话题（topic）、服务（service）和动作（action）三种，如图1-3中的节点2与节点3、节点2与节点5采用话题通信，节点2与节点4采用服务通信，节点1与节点2采用动作通信。计算图中的节点、话题、服务、动作都要有唯一名称作为标识。

ROS利用节点将代码和功能解耦，提高了系统的容错性和可维护性。所以最好让每个节点都具有特定的单一功能，而不是创建一个包罗万象的庞大节点。如果用C++编写节点，需要用到ROS提供的roscpp库；如果用Python编写节点，需要用到ROS提供的rospy库。

消息是构成计算图的关键，包括消息机制和消息类型两部分。消息机制有话题、服务和动作三种，每种消息机制中传递的数据都具有特定的数据类型（即消息类型），消息类型可分为话题消息类型、服务消息类型和动作消息类型。消息机制和消息类型将在1.5节中展开讲解。

数据包（rosbag）是ROS中专门用来保存和回放话题中数据的文件，可以将一些难以收集的传感器数据用数据包录制下来，然后反复回放来进行算法性能调试。

参数服务器能够为整个ROS网络中的节点提供便于修改的参数。参数可以认为是节点中可供外部修改的全局变量，有静态参数和动态参数。静态参数一般用于在节点启动时设置节点工作模式；动态参数可以用于在节点运行时动态配置节点或改变节点工作状态，比如电机控制节点里的PID控制参数。

主节点负责各个节点之间通信过程的调度管理。因此主节点必须要最先启动，可以通过roscore命令启动。

2. 从文件系统视角理解ROS架构

ROS程序的不同组件要放在不同的文件夹中，这些文件夹根据不同的功能对文件进行组织，这就是ROS的文件系统结构，如图1-4所示。

▲图1-4 ROS的文件系统结构

工作空间是一个包含功能包、编译包和编译后可执行文件的文件夹，用户可以根据自己的需要创建多个工作空间，在每个工作空间中开发不同用途的功能包。在图1-4中，我们创建了一个名为catkin_ws的工作空间，其中包含src、build和devel三个文件夹。

src文件夹放置各个功能包和配置功能包的CMake配置文件CMakeLists.txt。这里说明一下，由于ROS中的源码采用catkin工具进行编译，而catkin工具又基于CMake技术，所以我们在src源文件空间和各个功能包中都会见到一个CMake配置文件CMakeLists.txt，这个文件起到配置编译的作用。
build文件夹放置编译CMake和catkin功能包时产生的缓存、配置、中间文件等。
devel文件夹放置编译好的可执行程序，这些可执行程序是不需要安装就能直接运行的。一旦功能包源码编译和测试通过后，可以将这些编译好的可执行文件直接导出与其他开发人员分享。

功能包是ROS中软件组织的基本形式，具有创建ROS程序的最小结构和最少内容，它包含ROS节点源码、脚本、配置文件等。

CMakeLists.txt是功能包配置文件，用于编译Cmake功能包编译时的编译配置。
package.xml是功能包清单文件，用xml的标签格式标记该功能包的各类相关信息，比如包的名称、开发者信息、依赖关系等，主要是为了使功能包的安装和分发更容易。
include/<pkg_name>是功能包头文件目录，可以把功能包程序中包含的*.h头文件放在这里。include目录之所以还要加一级路径<pkg_name>是为了更好地区分自己定义的头文件和系统标准头文件，<pkg_name>用实际功能包的名称替代。不过这个文件夹不是必要项，比如有些程序没有头文件。
msg、srv和action这三个文件夹分别用于存放非标准话题消息、服务消息和动作消息的定义文件。ROS支持用户自定义消息通信过程中使用的消息类型。这些自定义消息不是必要的，比如程序只使用标准消息类型。
scripts目录存放Bash、Python等脚本文件，为非必要项。
launch目录存放节点的启动文件，*.launch文件用于启动一个或多个节点，在含有多个节点的大型项目中很有用，为非必要项。
src目录存放功能包节点所对应的源代码，一个功能包中可以有多个节点程序来完成不同的功能，每个节点程序都可以单独运行。这里src目录存放的是这些节点程序的源代码，你可以按需创建文件夹和文件来组织源代码，源代码可以用C++、Python等编写。

3. 从开源社区视角理解ROS架构

ROS是开源软件，各个独立的网络社区分享和贡献软件及教程，形成了强大的ROS开源社区，如图1-5所示。

▲图1-5 ROS的开源社区结构

ROS的发展依赖于开源和共享的软件，这些代码由不同的机构共享和发布，比如GitHub源码共享、Ubuntu软件仓库发布、第三方库等。ROS的官方wiki是重要的文档讨论社区，在里面可以很方便地发布与修改相应的文档页面。ROS的answer主页里有大量ROS开发者的提问和回答，对ROS开发中遇到的各种问题的讨论很活跃。

关于作者：张虎，深圳市睿思智行科技有限公司CEO。曾就职于深圳市智能机器人研究院，主持机器人自主导航方面的研究项目。工作期间以网名“小虎哥哥爱学习”在知乎、CSDN、bilibili等平台创作了大量机器人SLAM导航相关的优质博客文章及视频教程，深受广大网友的喜爱。他对强人工智能的研究非常感兴趣，并致力于将具有先进智能的机器人进行产业化落地。

本文摘编自《机器人SLAM导航：核心技术与实战》，经出版方授权发布。（ISBN：9787111697428）