導(dǎo)讀：前不久，John 為大家介紹過物聯(lián)網(wǎng)開源操作系統(tǒng)，或許大家還記憶猶新。今天，要介紹的是一款機器人領(lǐng)域的開源操作系統(tǒng)：ROS。

簡介

[[181496]]

ROS，英文全稱 Robot Operating System，即機器人操作系統(tǒng)。它的目標(biāo)是為機器人軟件開發(fā)者的提供了一個靈活的框架，其中包含一些列的工具、庫和約定。同時，ROS還可以為異質(zhì)計算機集群，提供了類似操作系統(tǒng)的中間件。

總結(jié)起來，正如下圖所示：ROS = 架構(gòu) + 工具 + 功能 + 生態(tài)系統(tǒng)。

服務(wù)

ROS提供標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)服務(wù)例如硬件抽象、底層設(shè)備控制、常用功能實現(xiàn)、進(jìn)程間消息傳遞、軟件包管理。ROS基于一種圖狀架構(gòu)，從而不同節(jié)點的進(jìn)程能接受，發(fā)布，聚合各種信息(例如傳感，控制，狀態(tài)，規(guī)劃等等)。

分層

ROS可以分成兩層：低層是操作系統(tǒng)層(上面有描述)，上層則是廣大開發(fā)者貢獻(xiàn)的功能各異的軟件包例如定位繪圖，行動規(guī)劃，感知，模擬等等。

生態(tài)系統(tǒng)

ROS生態(tài)系統(tǒng)的軟件可以分成三組：

• 獨立于開發(fā)語言和平臺的工具，用于構(gòu)建和發(fā)布基于ROS的軟件。
• ROS客戶端庫的實現(xiàn)例如 roscpp、rospy、roslisp。
• 利用一個或者多個ROS客戶端庫，包含相關(guān)應(yīng)用代碼的軟件包。

ROS客戶端庫，主要包括開發(fā)語言例如C++、Python、LISP，由于依賴于大量開源軟件，所以可在類Unix系統(tǒng)上使用。對于這些客戶端庫，Ubuntu Linux 是完全支持的，而其他系統(tǒng)例如Fedora Linux、Mac OS X、 Microsoft Windows 是“實驗性”(不是太完善的)的支持。另外，這些客戶端庫也得到了開發(fā)者社區(qū)的支持。

第三種的軟件包，通常由于開發(fā)者自己開發(fā)，使用的功能和應(yīng)用包括：硬件驅(qū)動、機器人模塊、數(shù)據(jù)類型、計劃、感知、即時定位和地圖構(gòu)建，仿真工具以及其他算法。

許可證

所有，獨立于開發(fā)語言的工具和主要客戶端庫(C++，Python，LISP)，都在BSD開源授權(quán)協(xié)議下發(fā)布，這些開源軟件可以免費用于商用和研究目的。其他的軟件包例如開發(fā)者自己開發(fā)的，使用其他開源許可授權(quán)，例如Apache 2.0、 GPL 、MIT 甚至專利許可。用戶可以自行判斷軟件包，是否具有滿足自己需求的許可證。

分布式和模塊化

ROS的設(shè)計，盡可能體現(xiàn)分布式和模塊化。

用戶可根據(jù)自己的需求，或多或少地定制使用ROS。ROS的模塊化特點，可以讓你自行選擇哪些部分需要ROS，哪些部分可以自己實現(xiàn)。

ROS，也具有分布式的特性，從而也培養(yǎng)了用戶共享軟件包的大型社區(qū)。它使得開發(fā)者在ROS核心系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增添許多新功能。

社區(qū)

過去幾年以來，ROS已經(jīng)成為全世界范圍內(nèi)，具有大量用戶的大型社區(qū)。以前，很多用戶來自于實驗室，但現(xiàn)在，越來越多的商業(yè)用戶也加入進(jìn)來，特別是在工業(yè)和服務(wù)機器人領(lǐng)域。

ROS 社區(qū)十分活躍，根據(jù)統(tǒng)計，ROS 社區(qū)具有超過1500個電子郵件列表的參與者，3300個用戶合作化開發(fā)維基文檔，5700用戶在社區(qū)進(jìn)行ROS相關(guān)的提問和回答，一共有超過22000條的維基包，每天超過30條。問答網(wǎng)站有超過13000個問題，70%的回答率。

合作化

ROS則致力于在不同的機器人平臺之間，簡化創(chuàng)建機器人軟件任務(wù)的復(fù)雜性。

其實，創(chuàng)建一個健壯、通用的機器人軟件，并不是那么簡單。從機器人的角度講，即使對于人類來講微不足道的問題，也會由于任務(wù)或者環(huán)境的不同，而變得很復(fù)雜。所以，靠單獨的個體、實驗室、機構(gòu)可以自己獨立處理這些任務(wù)，是無法勝任的。

所以，ROS就是為了鼓勵協(xié)作化的機器人軟件開發(fā)。ROS，就是為了讓擅長不同技術(shù)領(lǐng)域的開發(fā)小組合作起來，彼此借鑒各自的專長，共同應(yīng)對機器人所需要面對的復(fù)雜任務(wù)。

ROS，為大多數(shù)的機器人項目提供了很多價值，也代表了世界***機器人的合作化的開發(fā)趨勢。ROS其中一個核心價值，就是分享通用的組件。如果你覺得ROS有用，你也可以加入ROS社區(qū)。

核心組件

ROS的核心組件主要分為三部分：通信基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、機器人特定功能庫 、工具。

***，通信基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

ROS，在底層提供消息傳送接口以及進(jìn)程之間的通信，起到了一種中間件的作用。ROS的中間件提供這些功能：

• 發(fā)布和訂閱匿名消息傳遞
• 消息記錄和回放
• 遠(yuǎn)程過程調(diào)用的請求和響應(yīng)
• 分布式參數(shù)系統(tǒng)

消息傳輸

通信系統(tǒng)，一般來說，是實現(xiàn)一個全新機器人系統(tǒng)的首要需求。ROS內(nèi)置了經(jīng)過完善測試的消息系統(tǒng)，通過匿名發(fā)布和訂閱機制，管理分布式節(jié)點之間的通信，從而節(jié)省開發(fā)者的開發(fā)時間。

另外，使用消息傳輸系統(tǒng)的還有一個重要優(yōu)勢，就是讓開發(fā)者能夠清楚地實現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)點之間的接口，有利于提高封裝性和代碼復(fù)用程度。這些消息接口結(jié)構(gòu)，會在消息接口描述語言中定義。

消息記錄和回放

因為發(fā)布/訂閱系統(tǒng)是匿名和異步的，所以數(shù)據(jù)可以被很容易地獲取和回放，并不需要改動任何代碼。

例如，你有一個任務(wù)A，從傳感器中讀取數(shù)據(jù)。你正在開發(fā)任務(wù)B，處理任務(wù)A產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。ROS，讓由任務(wù)A發(fā)布的數(shù)據(jù)很容易地記錄到一個文件中，然后過一段時間，從文件中重新發(fā)布這些數(shù)據(jù)。這種消息傳輸抽象機制，讓任務(wù)B無法得知數(shù)據(jù)的來源(來自任務(wù)A還是日志文件)。

這是一個十分強大的設(shè)計模式，可以顯著降低開發(fā)成本、提高系統(tǒng)的靈活性和模塊化程度。

遠(yuǎn)程過程調(diào)用

異步發(fā)布/訂閱消息機制，可以滿足機器大部分的通信需求。但是，某些特殊情況下，你會需要進(jìn)程之間的同步請求/響應(yīng)。ROS 使用“服務(wù)”，提供這種功能。和另外一個功能“主題”類似，數(shù)據(jù)在進(jìn)程之間通過服務(wù)調(diào)用傳輸。服務(wù)調(diào)用在同樣簡單的消息接口描述語言中定義。

分布式參數(shù)系統(tǒng)

ROS中間件，通過參數(shù)服務(wù)器(一種多元、共享的字典，通過網(wǎng)絡(luò)API訪問)為任務(wù)提供分享配置信息的方法。系統(tǒng)讓你可以輕易地改變?nèi)蝿?wù)配置，甚至讓任務(wù)可以改變其他任務(wù)的配置。

第二，機器人庫

除了核心的中間件，ROS還提供通用的機器人庫，功能如下：

• 機器人標(biāo)準(zhǔn)消息定義
• 機器人幾何庫
• 機器人描述語言
• 可搶占遠(yuǎn)程過程調(diào)用
• 診斷
• 姿態(tài)評估
• 定位
• 繪圖
• 導(dǎo)航

標(biāo)準(zhǔn)機器人消息

經(jīng)過社區(qū)多年的討論和開發(fā)，最終實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)的消息格式，覆蓋了絕大部分的機器人案例。

這些消息定義，有的針對于幾何概念例如：姿勢、變換、向量;有的針對于傳感器例如：攝像頭、慣性測量單元和激光器;有的針對導(dǎo)航數(shù)據(jù)例如：量距、路徑和地圖，以及許多其他概念。

在應(yīng)用中，使用這些標(biāo)準(zhǔn)消息，開發(fā)者可以讓代碼，無縫地和ROS生態(tài)系統(tǒng)的其他部分對接，例如開發(fā)工具或者功能庫。

機器人幾何庫

許多機器人項目中的一個通用挑戰(zhàn)，就是讓機器人的不同部分相互協(xié)調(diào)。例如，你想聯(lián)合攝像頭的數(shù)據(jù)和雷達(dá)的數(shù)據(jù)，你必須知道傳感器位于什么地方，具有共同的參考系，特別是針對那些具有很多活動部件的類人機器人。

在ROS中，我們通過 tf (變換)庫來解決這個問題，它可以持續(xù)追蹤機器人系統(tǒng)每個部件的位置。

tf 庫，首先考慮到了效率，用于管理協(xié)調(diào)機器人的變換數(shù)據(jù)，超過100度的自由，并且更新率達(dá)到數(shù)百赫茲。tf 庫可以定義靜態(tài)變換，例如固定于移動基座的攝像頭;還有動態(tài)變換，例如機器人手臂的聯(lián)合。

你可以變換系統(tǒng)中任何兩個坐標(biāo)系的傳感器數(shù)據(jù)。tf 庫可以處理以下的情況例如：信息的生產(chǎn)者和消費者分布于網(wǎng)絡(luò)中不同位置，或者信息更新的速率不同。

機器人描述語言

ROS，還可以解決另外一個通用機器人問題，就是如何以一種機器可以讀懂的方式描述機器人。

ROS提供了一些列工具，進(jìn)行機器人描述和建模，使得它可以被ROS系統(tǒng)其余部分讀懂，這些部分包括：tf、robot_state_publisher、rviz。

ROS中描述機器人的格式是URDF(統(tǒng)一機器人描述格式)，你可以使用XML文檔描述機器人的物理屬性，例如肢體長度、輪子大小、傳感器位置和機器人每個部分的視覺外觀。

一旦以這種方式定義，你可以很容易通過使用tf庫，以及模擬器和運動規(guī)劃器，讓機器人***地呈現(xiàn)在三維空間中。

可搶占的遠(yuǎn)程過程調(diào)用

主題(匿名發(fā)布/訂閱)以及服務(wù)(遠(yuǎn)程過程調(diào)用)，可以覆蓋機器人中大多數(shù)的通信案例。但是，有時你需要發(fā)起一個全局尋找行為，并且檢測它的進(jìn)展，并且能夠?qū)崿F(xiàn)搶占，完成后還要接到通知。

ROS為這個使用案例，設(shè)計了動作(action)庫。動作庫，和服務(wù)一樣，只是它們還可以報告進(jìn)展，得到最終反饋。它們可以被調(diào)用者搶占。

你可以讓機器人根據(jù)導(dǎo)航到達(dá)指定位置，監(jiān)測它在到達(dá)過程中的進(jìn)展，在途中讓它停止或者重新規(guī)劃路徑，成功或者失敗后得到通知。

動作庫是一個十分強大的概念，它貫穿整個ROS生態(tài)系統(tǒng)。

診斷

ROS提供了一種標(biāo)準(zhǔn)的方法，產(chǎn)生、搜集和統(tǒng)計機器人的診斷信息。讓開發(fā)者可以很容易了解機器人的狀態(tài)，并且可以決定如何處理出現(xiàn)的問題。

姿態(tài)評估、本地化和導(dǎo)航

另外，ROS也提供了一些更加強大功能，可以幫助你啟動你的機器人項目。這些ROS軟件包，可以解決一些基礎(chǔ)問題例如姿勢評估、地圖中定位，構(gòu)建地圖和移動導(dǎo)航。

第三，工具

ROS 其中一個***大的功能就是工具，這些工具支持內(nèi)省、調(diào)試、繪圖，以及系統(tǒng)狀態(tài)可視化。

發(fā)布/訂閱機制，讓你可以自發(fā)地內(nèi)省通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流，更容易地理解和調(diào)試系統(tǒng)發(fā)生的問題。ROS工具利用這種內(nèi)省功能，以及一些列的圖形化和命令行工具，簡化開發(fā)和調(diào)試。

命令行工具

ROS 可以無圖形化界面的條件下使用。所有的核心功能和內(nèi)省工具，都可以通過超過45種的命令行工具訪問。這些命令可以啟動小組結(jié)點，內(nèi)省主題、服務(wù)和行動，記錄和回放數(shù)據(jù)，以及其他許多情況。如果你愿意使用圖形化工具，rviz 和 rqt 則提供了相似的功能。

rviz

rivz 可能是***的ROS工具，它提供了通用功能，對于許多傳感器數(shù)據(jù)類型和URDF描述的機器人，進(jìn)行三維視覺化。

rviz 可以可視化處理許多消息類型，例如雷達(dá)掃描、三維點云、攝像頭圖像。它也可以使用tf 庫，按照你選擇的坐標(biāo)系，顯示所有的傳感器數(shù)據(jù)，同樣也可以將機器人呈現(xiàn)出來。在同一個應(yīng)用中，視覺化所有的數(shù)據(jù)可以讓開發(fā)者很快看到機器人所看到的東西，從而可以區(qū)分傳感器失調(diào)或者機器人模型失準(zhǔn)引發(fā)的問題。

rqt

rqt，是一個基于QT框架的工具，用于開發(fā)機器人圖形化接口。你可以創(chuàng)建定制接口，組成和配置內(nèi)置rqt插件的擴展庫，用于標(biāo)簽、多畫面和其他布局。你也可以通過編寫自己的rqt插件，你引入新的接口。

rqt_graph 插件，提供了ROS系統(tǒng)的內(nèi)省和可視化，展示他們之間的結(jié)點和連接，讓你可以便于調(diào)試和理解運行系統(tǒng)及其組成。

rqt_plot 插件，讓你可以監(jiān)測編碼器、電壓或者隨著時間而變化的數(shù)字。rqt_plot插件讓你可以選擇繪圖后端(例如matplotlib、Qwt、 pyqtgraph)，以***地滿足需求。

rqt_topic 和 rqt_publisher 插件，可用于主題和監(jiān)測。前者，允許你監(jiān)測和內(nèi)省系統(tǒng)內(nèi)發(fā)布的任何主題。后者，讓你可以發(fā)布自己的消息到任何主題，促進(jìn)系統(tǒng)的專門實驗。

對于數(shù)據(jù)的記錄和回放，ROS使用“包”格式 。包文件可以通過rqt_bag 插件創(chuàng)建和圖形化訪問。插件可以將數(shù)據(jù)記錄到包，從包中選擇特定的主題回放，可視化包內(nèi)容，包括顯示圖片和繪制隨著時間推移的數(shù)值。

結(jié)語

ROS，剛剛度過9歲生日。這款機器人開源操作系統(tǒng)在機器人的感知、物體識別、臉部識別、姿勢識別、運動、運動理解、結(jié)構(gòu)與運動、立體視覺、控制、規(guī)劃等多個領(lǐng)域都有相關(guān)應(yīng)用。

John 衷心地希望這款機器人的介紹對大家有幫助，同時希望聽到來自大家的寶貴意見，一起探討。