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ROS2简介

2023-05-16

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ROS简介

ROS是Robot Operating System的缩写，是一套开源的软件框架和工具集，用来帮助开发人员建立机器人应用程序，它提供了硬件抽象、设备驱动、函数库、可视化工具、消息传递和软件包管理等诸多功能。

ROS官方网站：https://www.ros.org/

ROS2 Desing Doc: http://design.ros2.org/

ROS可用于在不同进程间匿名的发布、订阅、传递信息。 ROS系统的核心部分是ROS图谱(ROS Graph)。ROS图谱是指在ROS系统中不同的节点间相互通信的连接关系。

ROS2是ROS的新版本，有较大的变化，主要是通信框架上的变更。ROS1和ROS2的框架对比：
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ROS的通信机制

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区别于ROS1的Master机制（上左），ROS2采用数据分发服务DDS(Data Distribution Service一种专门为实时系统设计的数据分发/订阅标准)（上右图）

ROS2的通讯模型有以下几个关键概念：

  • 参与者（Domain Participant）
    一个参与者Participant就是一个容器，对应于一个使用DDS的用户，任何DDS的用户都必须通过Participant来访问全局数据空间。
  • 发布者（Publisher）
    数据发布的执行者，支持多种数据类型的发布，可以与多个数据写入器（DataWriter）相联，发布一种或多种主题（Topic）的消息。
  • 订阅者（Subscriber）
    数据订阅的执行者，支持多种数据类型的订阅，可以与多个数据读取器（DataReader）相联，订阅一种或多种主题（Topic）的消息。
  • 数据写入器（DataWriter）
    应用向发布者更新数据的对象，每个数据写入器对应一个特定的Topic，类似于ROS1中的一个消息发布者。
  • 数据读取器（DataReader）
    应用从订阅者读取数据的对象，每个数据读取器对应一个特定的Topic，类似于ROS1中的一个消息订阅者。
  • 主题（Topic）
    这个和ROS1中的Topic概念一致，一个Topic包含一个名称和一种数据结构。
  • 质量服务原则（Quality of Service）
    简称QoS Policy，这是ROS2中新增的、也是非常重要的一个原则，控制各方面与底层的通讯机制，主要从时间限制、可靠性、持续性、历史记录这几个方面，满足用户针对不同场景的数据需求。

Nodes-节点概念

节点即Node，是ROS里面的一个执行体，可以和其他节点直接在ROS中互相通信。Node是Package里面的可执行文件的一个功能体现（也就是说Package的可执行文件能够实现的功能不仅仅是一个Node，还有其他的功能，但是Node是其最基本的一个功能）。
节点通过发布messages到topic来实现互相通信。也可以调用ROS的service实现request和response的消息交换。

Messages-消息概念

message 是一种由类型字段（类型域）组成的简单数据结构。支持原始的标准类型（整数、浮点、布尔、数组等），同时支持类似C语言的结构和数组嵌套。

我们使用.msg格式的的文本文件指定消息的数据结构。

Topic-话题概念

Topic 被称为节点信息交互的总线，话题拥有匿名发布和订阅语义，这样能够解耦信息的生产者和使用者。通常来说，节点是不清楚他们在和谁通信，他们更关注所订阅话题的数据。
一个话题可以有多个订阅者和发布者。

Discovery-发现

节点之间的互相发现是ROS2底层的中间件自动运行的一个进程，通过这个进程不同的节点相互发现，建立连接。这是区别ROS1中的master，真正实现了分布式通信。

  1. 当一个节点启动后， 它会向其他拥有相同ROS域名(ROS domain， 可以通过设置ROS_DOMAIN_ID环境变量来设置)的节点进行广播，说明它已经上线。
  2. 其他节点在收到广播后返回自己的相关信息，这样节点间的连接就可以建立了，之后就可以通信了。
  3. 节点会定时广播它的信息，这样即使它已经错过了最初的发现过程，它也可以和新上线的节点进行连接。
  4. 节点在下线前它也会广播其他节点自己要下线了。
    节点只会和具有相兼容的[服务质量]设置的节点进行通信。

ROS2应用开发框架

由ROS1和ROS2的应用框架图可一看到，机器人应用开发者的工作大部分都在应用层开发不同的Node，开发过程中使用框架中提供的各种接口库。
如图是一个ROS2的软件架构：

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消息数据流
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refs: http://docs.ros2.org/foxy/developer_overview.html#internal-ros-interfaces

ROS客户端库：rcl

rcl是ROS Client Library的缩写。通过框架图我们可以看到它提供了开发者使用不同语言进行基于ROS框架二次开发的能力。例如C++开发人员想要使用ROS框架开发一个机器人应用，比如自动驾驶系统，机械臂控制系统等，就可以使用rclcpp库来调用和组织ROS里的基础功能实现自己的应用层功能。python、java开发人员同理。

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