各位好,今天我们要讨论的是机器人软件架构设计中的几个关键挑战。首先,让我们来看看复杂性管理这个问题。 现代机器人系统已经变得非常复杂。它们通常包含多个子系统,比如负责感知环境的感知系统、负责决策的决策系统、以及负责执行动作的控制系统等。这些子系统之间存在着复杂的交互和依赖关系。 为了有效地管理这种复杂性,我们需要一个统一的框架。这个框架应该能够清晰地定义各个子系统的接口,协调它们之间的通信,并且管理整个系统的数据流。这样的框架可以帮助我们更好地组织代码,提高系统的可维护性和可扩展性。 在图中,我们可以看到一个统一框架的示例。它展示了如何将不同的子系统整合在一起,形成一个协调一致的整体。这种方法可以大大简化机器人系统的开发和维护过程。
接下来,让我们讨论硬件抽象这个重要话题。 在机器人领域,硬件多样性是一个常见的挑战。不同的机器人可能使用各种不同的传感器和执行器。例如,一个机器人可能使用激光雷达进行环境感知,而另一个可能使用摄像头。同样,在执行器方面,有些机器人可能使用电机,而有些可能使用液压系统。而且，同一种类的传感器的供应商可能有好几个，比如激光雷达有禾赛、速腾、镭神等，相机的供应商有海康、大华、大疆等。这些厂家生产的传感器，其接口、协议、数据格式等都是不一样的，这对上层应用开发带来了很大的挑战。 这种硬件多样性给软件开发带来了挑战。如果我们为每种硬件配置都编写专门的代码,那将是一项繁重且低效的工作。更重要的是,这样做会严重影响代码的可移植性和复用性。 解决这个问题的关键是引入一个硬件抽象层。这个中间层的作用是隐藏底层硬件的具体细节,为上层软件提供一个统一的接口。通过这种方式,我们可以编写与具体硬件无关的代码,大大提高代码的可移植性。 在图中,我们可以看到硬件抽象层是如何工作的。它位于硬件和软件之间,提供了一个标准化的接口。这样,即使更换了底层硬件,上层软件也无需做出重大改变。
让我们来谈谈算法复用这个话题。 在机器人领域,有许多算法是通用的,可以应用于不同类型的机器人。比如说,SLAM(同时定位与地图构建)算法可以用于各种移动机器人,无论是室内导航机器人还是户外自动驾驶车辆。同样,路径规划算法也可以广泛应用于不同的场景。 然而,这些算法通常很复杂,需要大量的开发和调试工作。如果每个机器人项目都从头开始实现这些算法,那将是一种巨大的资源浪费。 因此,我们需要一个平台来促进这些算法的共享和复用。这个平台应该提供标准化的接口,使得算法可以easily插入到不同的机器人系统中。它还应该提供版本控制和文档支持,方便开发者使用和改进这些算法。 在图中,我们可以看到一个算法复用平台的示意图。它展示了如何将各种算法模块化,并在不同的机器人项目中复用。这种方法不仅可以提高开发效率,还可以促进整个机器人社区的知识共享和协作。
让我们来谈谈分布式计算这个话题。 在现代机器人系统中,许多任务需要多个处理单元协同工作。例如,一个机器人可能需要多个传感器数据来做出决策,或者需要多个执行器来完成一个复杂的动作。同样,在自动驾驶领域,可能需要多个车辆协同工作,共享传感器数据和路径规划信息。 为了有效地管理这些分布式计算任务,我们需要一个框架来协调多个处理单元之间的通信和数据共享。这个框架应该能够处理复杂的任务调度,确保各个处理单元能够高效地协同工作。 在图中,我们可以看到一个分布式计算框架的示意图。它展示了如何将多个处理单元连接在一起,形成一个协调一致的整体。这种方法可以大大简化复杂任务的开发和部署过程。
让我们来谈谈快速原型开发这个话题。 在研究和产品开发中,快速原型开发是一个非常重要的环节。它允许开发者快速验证想法,减少开发周期,提高开发效率。 为了支持快速原型开发,我们需要一个工具和库的集合。这些工具和库应该能够提供丰富的功能,帮助开发者快速构建和测试原型。 在图中,我们可以看到一个快速原型开发平台的示意图。它展示了如何将各种工具和库整合在一起,形成一个协调一致的整体。这种方法可以大大简化快速原型开发的流程。 总之，机器人操作系统通过提供一个统一的框架、硬件抽象、算法复用和分布式计算支持，帮助我们更好地管理复杂性、提高代码可移植性、促进算法复用和实现分布式计算。同时，它还支持快速原型开发，帮助我们快速验证想法，减少开发周期，提高开发效率。
机器人操作系统（ROS）是一种用于机器人软件开发的框架和工具集。它最初由斯坦福大学人工智能实验室（SAIL）在2007年开发，旨在为机器人研究人员和开发者提供一个开放、灵活的软件开发平台。ROS的目标是简化机器人软件的开发、测试和部署，促进机器人技术的创新和应用。
ROS的核心理念包括模块化设计、分布式计算、开源和社区驱动、硬件抽象和语言无关性。这些理念使得ROS成为一个强大的工具，广泛应用于研究和工业领域。ROS的广泛应用和成功证明了它在机器人软件开发中的重要性和价值。
ROS1的广泛应用和成功证明了它在机器人软件开发中的重要性和价值。它为机器人技术的创新和应用提供了强大的支持，促进了机器人技术的快速发展。
ROS1 作为一个开源的机器人操作系统，在过去十多年里为机器人开发做出了巨大贡献。然而，随着机器人应用场景的不断扩展，ROS1 的一些固有限制逐渐显现出来： 实时性能不足：ROS1 的通信机制难以满足某些实时控制的需求。 分布式系统支持有限：在多机器人协作等场景中，ROS1 表现得力不从心。 安全性考虑不足：对于工业和商业应用来说，ROS1 的安全机制略显薄弱。 跨平台能力欠佳：ROS1 主要面向 Unix-like 系统，在 Windows 等平台上的支持不够理想。 这些局限性使得 ROS1 难以适应一些新兴的应用场景，如自动驾驶、工业自动化等。 正是基于这些挑战，ROS2 应运而生。ROS2 不是简单的版本更新，而是一次彻底的重新设计。它的主要创新包括： 采用 DDS（Data Distribution Service）作为通信中间件，大幅提升了实时性能和可靠性。 引入 QoS（Quality of Service）机制，使得开发者可以更精细地控制通信质量。 原生支持多节点并发执行，充分利用多核处理器。 增强的安全机制，包括加密通信等特性。 更好的跨平台支持，包括 Windows 和实时操作系统。
各位好，今天我们来讨论 ROS2 的设计目标。ROS2 的诞生不仅仅是为了解决 ROS1 的问题，更是为了适应机器人技术和相关领域的快速发展。让我们详细看看 ROS2 的三个主要目标。 首先，ROS2 旨在解决 ROS1 的一些固有局限性： 1. 实时性能：ROS1 在实时控制方面存在不足，而 ROS2 通过采用 DDS（数据分发服务）作为通信中间件，大大提升了系统的实时性能。 2. 可靠性：ROS2 引入了 QoS（服务质量）机制，允许开发者更精细地控制通信质量，提高系统在不稳定网络环境下的可靠性。 3. 安全性：ROS2 增强了安全机制，包括节点间的加密通信，这对于工业和商业应用至关重要。 4. 跨平台支持：与主要面向 Unix-like 系统的 ROS1 不同，ROS2 提供了更好的跨平台支持，包括 Windows 和实时操作系统。 其次，ROS2 的设计考虑到了新兴的技术趋势： 1. 物联网（IoT）：ROS2 的通信机制更适合于处理大量分布式设备，这与物联网的概念高度契合。 2. 云计算：ROS2 改进了对分布式系统的支持，使得云端机器人应用的开发变得更加容易。 3. 5G 网络：ROS2 的通信架构能够更好地利用高带宽、低延迟的 5G 网络，为远程操控和协作机器人铺平道路。 最后，ROS2 更加注重工业和商业应用的需求： 1. 产品级质量：ROS2 的开发过程更加严格，代码质量和文档都有显著提升，更适合用于开发商业产品。 2. 长期支持：ROS2 提供了更长期的支持计划，这对于工业应用的稳定性和可维护性至关重要。 3. 认证和标准化：ROS2 正在推动相关的认证和标准化进程，这将有助于其在工业领域的广泛应用。 总的来说，ROS2 的目标是成为一个更加强大、灵活、可靠的机器人开发平台，不仅解决了 ROS1 的问题，还为未来机器人技术的发展提供了坚实的基础。这些改进使得 ROS2 能够更好地满足从研究到产品开发的各种需求，推动机器人技术在更广泛的领域中的应用。[4](https://design.ros2.org/articles/why_ros2.html)
我们来详细探讨 ROS2 相比 ROS1 的主要改进。这些改进不仅解决了 ROS1 的一些关键问题，还为未来机器人技术的发展奠定了基础。让我们逐一看看这些重要的改进。 首先，ROS2 采用了基于 DDS（数据分发服务）的通信中间件。这是一个重大的架构变更： 1. DDS 是一个工业级的通信标准，为 ROS2 提供了更可靠、更灵活的通信基础。 2. 它支持发布-订阅模式，使得节点间的通信更加高效。 3. DDS 的去中心化设计提高了系统的鲁棒性，不再依赖单一的 ROS Master。 这种改变使得 ROS2 更适合大规模、分布式的机器人系统。[1](https://medium.com/spinor/getting-started-with-ros2-why-ros2-f4980d63e9fc) 其次，ROS2 显著增强了实时性能： 1. 通过 DDS 的 QoS（服务质量）机制，开发者可以精细控制通信的时间敏感性。 2. ROS2 原生支持多线程和并发执行，充分利用现代多核处理器。 3. 改进的调度机制使得关键任务能够更及时地执行。 这些改进使得 ROS2 能够更好地应对需要精确时间控制的应用场景，如工业自动化和自动驾驶。[2](https://developer.nvidia.com/blog/improve-perception-performance-for-ros-2-applications-with-nvidia-isaac-transport-for-ros/) 第三，ROS2 大幅改进了安全机制： 1. 引入了节点间的加密通信，保护敏感数据。 2. 支持访问控制，确保只有授权的节点能够发布或订阅特定主题。 3. 提供了身份验证机制，防止恶意节点的接入。 这些安全特性使得 ROS2 更适合用于商业和工业环境，where数据安全至关重要。 第四，ROS2 提供了更好的跨平台支持： 1. 除了传统的 Linux 系统，ROS2 现在也能很好地运行在 Windows 和 macOS 上。 2. 支持多种编程语言，包括 C++、Python 和 Java 等。 3. 提供了更一致的 API，简化了跨平台开发。 这种广泛的平台支持使得 ROS2 能够适应更多样化的开发环境和应用场景。 最后，ROS2 采用了面向对象的 API 设计： 1. 新的 API 更加直观和易用，降低了学习曲线。 2. 面向对象的设计提高了代码的可重用性和可维护性。 3. 统一的接口设计使得不同语言的实现更加一致。 这种设计理念使得 ROS2 更加友好，特别是对于新手开发者来说。[5](https://scalexi.medium.com/from-ros-to-ros-2-a-comprehensive-guide-to-the-next-generation-robotics-f93a4e2e5793) 总的来说，这些改进使得 ROS2 成为一个更加强大、灵活和可靠的机器人开发平台。它不仅解决了 ROS1 的许多限制，还为未来机器人技术的发展提供了坚实的基础。无论是学术研究还是工业应用，ROS2 都能提供更好的支持。
各位好，现在让我们简要介绍 ROS2 的核心架构。 ROS2 的架构基于几个关键概念： 1. 节点(Node)是 ROS2 中的基本计算单元，每个节点负责特定的功能。 2. 主题(Topic)用于节点之间的单向、多对多通信。 3. 服务(Service)提供请求-响应模式的通信。 4. 参数(Parameter)允许节点存储和访问配置值。 5. 动作(Action)适用于长时间运行的任务，支持反馈和取消。 这些概念共同构成了 ROS2 的通信和计算模型，为机器人系统提供了灵活且强大的开发框架。在接下来的内容中，我们将详细探讨每个组件的功能和使用方法。 ROS2 的这种架构设计使其能够应对各种复杂的机器人应用场景，从简单的传感器数据处理到复杂的自主导航系统都能高效实现。
节点是ROS2系统的基本构建块。它们是独立的可执行程序，负责特定的任务或功能。节点之间通过多种方式进行通信，主要包括主题、服务和参数。这种设计允许我们将复杂的机器人系统分解成小的、可管理的部分。 一个重要特性是节点可以分布在不同的机器上运行，这为构建分布式机器人系统提供了极大的灵活性。这种分布式架构使ROS2特别适合于大型、复杂的机器人项目，如多机器人协作系统或云端机器人应用。
主题是ROS2中最常用的通信方式之一。它提供了一种灵活的、松耦合的通信机制。 想象一下一个自动驾驶汽车系统： 激光雷达节点可能会在"lidar_data"主题上发布环境数据。 同时，导航节点会订阅这个主题来接收数据，用于路径规划。 多个其他节点，如障碍物检测节点，也可以订阅同一主题。 这就是发布/订阅模式的一个典型例子。一个发布者，多个订阅者，它们不需要直接知道彼此的存在。 主题的分布式特性意味着发布者和订阅者可以在不同的计算机上运行，这为系统设计提供了极大的灵活性。
服务是ROS2中另一种重要的通信方式，它基于请求-响应模型。 让我们以一个机器人手臂系统为例： 我们可能有一个"抓取物体"的服务。 当任务规划节点需要抓取物体时，它会向这个服务发送请求，包含物体的位置信息。 控制机器人手臂的节点会接收这个请求，执行抓取动作，然后发送一个响应，表明抓取是否成功。 这是一个同步、双向服务的例子。客户端发送请求后会等待响应。 服务的分布式特性允许请求节点和响应节点位于不同的机器上，这在大型机器人系统中非常有用。 异步服务则允许客户端在等待响应的同时继续执行其他任务，这在处理耗时操作时特别有用。
参数是ROS2中用于配置和调整节点行为的重要机制。 让我们以一个自主导航机器人为例： 我们可能有一个"最大速度"参数，用于控制机器人的移动速度。 这个参数可以在导航节点启动时设置，比如设为1.5米/秒。 在运行过程中，如果我们发现环境变得更加复杂，我们可以动态地将这个参数调整为0.8米/秒，而无需重启节点。 这展示了参数的动态特性和动态重配置能力。 参数也可以是复杂的数据类型，例如，我们可以用一个参数来存储机器人的初始位置坐标。 参数的分布式特性意味着我们可以从远程计算机上监控和调整机器人的配置，这在远程操作场景中非常有用。
动作是ROS2中一种高级的通信机制，专门设计用于处理长时间运行的任务。它的核心特征包括： 结构：动作由三个主要部分组成 - 目标、反馈和结果。这种结构允许客户端发送一个长期目标，服务器执行任务并提供持续的反馈，最后返回最终结果。 异步通信：动作支持异步操作，使得客户端可以在等待任务完成的同时执行其他操作。 取消能力：客户端可以在任何时候请求取消正在执行的动作，这在实时系统中非常重要。 状态更新：动作提供实时的状态更新，允许客户端随时了解任务的进展。 复杂任务支持：动作特别适合需要持续反馈和可能需要中途调整的复杂任务。 实现机制：在底层，动作通过组合多个服务和主题来实现其功能。 动作填补了ROS2中简单服务和连续数据流主题之间的空白，为需要更复杂交互的任务提供了理想的解决方案。 在下一页，我们将通过一个具体的例子来说明动作的应用，以便更好地理解这个概念。
让我们以一个机器人导航任务为例： 目标：控制节点发送一个"移动到坐标(x,y)"的目标给导航节点。 反馈：导航过程中，导航节点持续发送反馈，如"已完成30%路程"或"当前位置(x1,y1)"。 结果：任务完成后，导航节点发送最终结果，如"已到达目标位置"或"无法到达，遇到障碍物"。 取消：如果中途发现新的障碍物，控制节点可以取消当前导航任务。 动作的这种设计使其特别适合复杂、长时间运行的任务。它提供了比简单的服务更丰富的交互模式，同时保持了通信的异步性，使系统能够同时处理多个任务。
工作空间是ROS2开发中的一个核心概念，它为我们提供了一个组织和管理ROS2项目的结构化方式。让我们来详细了解一下： 概念介绍： 工作空间是ROS2项目的根目录，包含了所有相关的代码、配置文件和资源。 它由四个主要目录组成：src（源代码）、build（编译文件）、install（安装文件）和log（日志文件）。 使用colcon工具进行构建和管理，简化了编译和部署过程。 支持覆盖层机制，允许在不修改原有代码的情况下进行扩展或修改。 通过环境变量激活，使得在不同项目间切换变得简单。 简单例子： 假设我们要创建一个名为"my_robot_ws"的工作空间： mkdir -p my_robot_ws/src cd my_robot_ws colcon build source install/setup.bash 这个例子展示了如何创建一个基本的工作空间，构建它（即使还没有源代码），并激活它。一旦激活，我们就可以在这个工作空间中开发ROS2包，使用ROS2命令，以及运行我们的机器人程序。 工作空间的概念使得ROS2项目的管理变得有序和灵活，特别是在处理多个项目或大型机器人系统时。在接下来的内容中，我们将深入探讨如何在工作空间中创建和管理包，以及如何利用覆盖层来组织复杂的项目结构。
包（Package）是ROS2中组织代码和资源的基本单元，它在ROS2的开发和部署中扮演着关键角色。让我们深入了解一下包的概念： 概念介绍： 包是ROS2中最小的可构建和可共享的单元。 它包含源代码、配置文件、启动文件等与特定功能相关的所有内容。 每个包都有一个package.xml文件，描述包的元数据，如依赖关系、作者信息等。 ROS2使用ament作为构建系统，简化了包的构建和管理过程。 支持C++和Python混合开发，提供了灵活的编程选择。 包可以独立构建和安装，便于模块化开发和部署。 简单例子： 假设我们要创建一个名为"my_robot_controller"的包： cd ~/ros2_ws/src ros2 pkg create my_robot_controller --build-type ament_cmake 这个命令会创建一个新的包，包含基本的目录结构和必要的文件，如package.xml和CMakeLists.txt。 包的概念使得ROS2项目能够以模块化的方式组织，便于开发、测试和复用。在大型机器人项目中，合理地划分和组织包可以显著提高开发效率和代码的可维护性。
1. 概念介绍： Launch文件是ROS2中用于同时启动和配置多个节点的工具。它简化了复杂系统的启动过程，提高了效率和可重复性。 2. 格式支持： ROS2支持多种格式的Launch文件，包括Python、XML和YAML。这提供了灵活性，允许开发者选择最熟悉的格式。 3. 主要功能： - 节点配置：可以设置参数、重映射话题和服务，以及定义命名空间。 - 条件执行：基于特定条件启动节点，如系统环境或其他节点的状态。 - 模块化：可以包含其他Launch文件，便于管理大型系统。 - 动态管理：支持运行时加载和卸载节点。 4. 实例说明： 假设我们有一个机器人系统，包括导航、感知和控制模块。使用Launch文件，我们可以： - 启动所有必要的节点（如SLAM、路径规划、电机控制等） - 设置各节点的参数（如地图大小、导航算法） - 根据不同的任务场景条件性地启动特定节点 5. 优势： Launch文件大大简化了复杂ROS2系统的部署和管理，提高了开发和测试效率。
不同与ROS1，ROS2的命令更加简洁，更加符合直觉。所有的命令都是以`ros2`开头，后面跟着具体的命令和参数。