乾貨：機器人開源操作系統ROS

導讀

前不久，John 為大家介紹過物聯網開源操作系統，或許大家還記憶猶新。今天，要介紹的是一款機器人領域的開源操作系統：ROS。

簡介

ROS，英文全稱 Robot Operating System，即機器人操作系統。它的目標是為機器人軟體開發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還可以為異質計算機集群，提供了類似操作系統的中間件。

總結起來，正如下圖所示：ROS = 架構 + 工具 + 功能 + 生態系統。

服務

ROS提供標準的操作系統服務例如硬體抽象、底層設備控制、常用功能實現、進程間消息傳遞、軟體包管理。ROS基於一種圖狀架構，從而不同節點的進程能接受，發布，聚合各種信息（例如感測，控制，狀態，規劃等等）。

分層

ROS可以分成兩層：低層是操作系統層（上面有描述），上層則是廣大開發者貢獻的功能各異的軟體包例如定位繪圖，行動規劃，感知，模擬等等。

生態系統

ROS生態系統的軟體可以分成三組：

獨立於開發語言和平台的工具，用於構建和發布基於ROS的軟體。

ROS客戶端庫的實現例如 roscpp、rospy、roslisp。

利用一個或者多個ROS客戶端庫，包含相關應用代碼的軟體包。

ROS客戶端庫，主要包括開發語言例如C++、Python、LISP，由於依賴於大量開源軟體，所以可在類Unix系統上使用。對於這些客戶端庫，Ubuntu Linux 是完全支持的，而其他系統例如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者社區的支持。

第三種的軟體包，通常由於開發者自己開發，使用的功能和應用包括：硬體驅動、機器人模塊、數據類型、計劃、感知、即時定位和地圖構建，模擬工具以及其他演算法。

許可證

所有，獨立於開發語言的工具和主要客戶端庫（C++，Python，LISP），都在BSD開源授權協議下發布，這些開源軟體可以免費用於商用和研究目的。其他的軟體包例如開發者自己開發的，使用其他開源許可授權，例如Apache 2.0、 GPL 、MIT 甚至專利許可。用戶可以自行判斷軟體包，是否具有滿足自己需求的許可證。

分布式和模塊化

ROS的設計，儘可能體現分布式和模塊化。

用戶可根據自己的需求，或多或少地定製使用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。

ROS，也具有分布式的特性，從而也培養了用戶共享軟體包的大型社區。它使得開發者在ROS核心系統基礎上，增添許多新功能。

社區

過去幾年以來，ROS已經成為全世界範圍內，具有大量用戶的大型社區。以前，很多用戶來自於實驗室，但現在，越來越多的商業用戶也加入進來，特別是在工業和服務機器人領域。

ROS 社區十分活躍，根據統計，ROS 社區具有超過1500個電子郵件列表的參與者，3300個用戶合作化開發維基文檔，5700用戶在社區進行ROS相關的提問和回答，一共有超過22000條的維基包，每天超過30條。問答網站有超過13000個問題，70%的回答率。

合作化

ROS則致力於在不同的機器人平台之間，簡化創建機器人軟體任務的複雜性。

其實，創建一個健壯、通用的機器人軟體，並不是那麼簡單。從機器人的角度講，即使對於人類來講微不足道的問題，也會由於任務或者環境的不同，而變得很複雜。所以，靠單獨的個體、實驗室、機構可以自己獨立處理這些任務，是無法勝任的。

所以，ROS就是為了鼓勵協作化的機器人軟體開發。ROS，就是為了讓擅長不同技術領域的開發小組合作起來，彼此借鑒各自的專長，共同應對機器人所需要面對的複雜任務。

ROS，為大多數的機器人項目提供了很多價值，也代表了世界一流機器人的合作化的開發趨勢。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。

核心組件

ROS的核心組件主要分為三部分：通信基礎結構、機器人特定功能庫 、工具。

第一，通信基礎結構

ROS，在底層提供消息傳送介面以及進程之間的通信，起到了一種中間件的作用。ROS的中間件提供這些功能：

發布和訂閱匿名消息傳遞

消息記錄和回放

遠程過程調用的請求和響應

分布式參數系統

消息傳輸

通信系統，一般來說，是實現一個全新機器人系統的首要需求。ROS內置了經過完善測試的消息系統，通過匿名發布和訂閱機制，管理分布式節點之間的通信，從而節省開發者的開發時間。

另外，使用消息傳輸系統的還有一個重要優勢，就是讓開發者能夠清楚地實現系統結點之間的介面，有利於提高封裝性和代碼復用程度。這些消息介面結構，會在消息介面描述語言中定義。

消息記錄和回放

因為發布/訂閱系統是匿名和非同步的，所以數據可以被很容易地獲取和回放，並不需要改動任何代碼。

例如，你有一個任務A，從感測器中讀取數據。你正在開發任務B，處理任務A產生的數據。ROS，讓由任務A發布的數據很容易地記錄到一個文件中，然後過一段時間，從文件中重新發布這些數據。這種消息傳輸抽象機制，讓任務B無法得知數據的來源（來自任務A還是日誌文件）。

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

遠程過程調用

非同步發布/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，你會需要進程之間的同步請求/響應。ROS 使用「服務」，提供這種功能。和另外一個功能「主題」類似，數據在進程之間通過服務調用傳輸。服務調用在同樣簡單的消息介面描述語言中定義。

分布式參數系統

ROS中間件，通過參數伺服器（一種多元、共享的字典，通過網路API訪問）為任務提供分享配置信息的方法。系統讓你可以輕易地改變任務配置，甚至讓任務可以改變其他任務的配置。

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：

機器人標準消息定義

機器人幾何庫

機器人描述語言

可搶佔遠程過程調用

診斷

姿態評估

定位

繪圖

導航

標準機器人消息

經過社區多年的討論和開發，最終實現了標準的消息格式，覆蓋了絕大部分的機器人案例。

這些消息定義，有的針對於幾何概念例如：姿勢、變換、向量；有的針對於感測器例如：攝像頭、慣性測量單元和激光器；有的針對導航數據例如：量距、路徑和地圖，以及許多其他概念。

在應用中，使用這些標準消息，開發者可以讓代碼，無縫地和ROS生態系統的其他部分對接，例如開發工具或者功能庫。

機器人幾何庫

許多機器人項目中的一個通用挑戰，就是讓機器人的不同部分相互協調。例如，你想聯合攝像頭的數據和雷達的數據，你必須知道感測器位於什麼地方，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，它可以持續追蹤機器人系統每個部件的位置。

tf 庫，首先考慮到了效率，用於管理協調機器人的變換數據，超過100度的自由，並且更新率達到數百赫茲。tf 庫可以定義靜態變換，例如固定於移動基座的攝像頭；還有動態變換，例如機器人手臂的聯合。

你可以變換系統中任何兩個坐標系的感測器數據。tf 庫可以處理以下的情況例如：信息的生產者和消費者分布於網路中不同位置，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，進行機器人描述和建模，使得它可以被ROS系統其餘部分讀懂，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、感測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劃器，讓機器人完美地呈現在三維空間中。

可搶佔的遠程過程調用

主題（匿名發布/訂閱）以及服務（遠程過程調用），可以覆蓋機器人中大多數的通信案例。但是，有時你需要發起一個全局尋找行為，並且檢測它的進展，並且能夠實現搶佔，完成後還要接到通知。

ROS為這個使用案例，設計了動作（action）庫。動作庫，和服務一樣，只是它們還可以報告進展，得到最終反饋。它們可以被調用者搶佔。

你可以讓機器人根據導航到達指定位置，監測它在到達過程中的進展，在途中讓它停止或者重新規劃路徑，成功或者失敗後得到通知。

動作庫是一個十分強大的概念，它貫穿整個ROS生態系統。

診斷

ROS提供了一種標準的方法，產生、搜集和統計機器人的診斷信息。讓開發者可以很容易了解機器人的狀態，並且可以決定如何處理出現的問題。

姿態評估、本地化和導航

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軟體包，可以解決一些基礎問題例如姿勢評估、地圖中定位，構建地圖和移動導航。

第三，工具

ROS 其中一個最強大的功能就是工具，這些工具支持內省、調試、繪圖，以及系統狀態可視化。

發布/訂閱機制，讓你可以自發地內省通過系統的數據流，更容易地理解和調試系統發生的問題。ROS工具利用這種內省功能，以及一些列的圖形化和命令行工具，簡化開發和調試。

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點，內省主題、服務和行動，記錄和回放數據，以及其他許多情況。如果你願意使用圖形化工具，rviz 和 rqt 則提供了相似的功能。

rviz

rivz 可能是最著名的ROS工具，它提供了通用功能，對於許多感測器數據類型和URDF描述的機器人，進行三維視覺化。

rviz 可以可視化處理許多消息類型，例如雷達掃描、三維點雲、攝像頭圖像。它也可以使用tf 庫，按照你選擇的坐標系，顯示所有的感測器數據，同樣也可以將機器人呈現出來。在同一個應用中，視覺化所有的數據可以讓開發者很快看到機器人所看到的東西，從而可以區分感測器失調或者機器人模型失准引發的問題。

rqt

rqt，是一個基於QT框架的工具，用於開發機器人圖形化介面。你可以創建定製介面，組成和配置內置rqt插件的擴展庫，用於標籤、多畫面和其他布局。你也可以通過編寫自己的rqt插件，你引入新的介面。

rqt_graph 插件，提供了ROS系統的內省和可視化，展示他們之間的結點和連接，讓你可以便於調試和理解運行系統及其組成。

rqt_plot 插件，讓你可以監測編碼器、電壓或者隨著時間而變化的數字。rqt_plot 插件讓你可以選擇繪圖後端（例如matplotlib、Qwt、 pyqtgraph），以最好地滿足需求。

rqt_topic和rqt_publisher插件，可用於主題和監測。前者，允許你監測和內省系統內發布的任何主題。後者，讓你可以發布自己的消息到任何主題，促進系統的專門實驗。

對於數據的記錄和回放，ROS使用「包」格式 。包文件可以通過rqt_bag 插件創建和圖形化訪問。插件可以將數據記錄到包，從包中選擇特定的主題回放，可視化包內容，包括顯示圖片和繪製隨著時間推移的數值。

結語

ROS，剛剛度過9歲生日。這款機器人開源操作系統在機器人的感知、物體識別、臉部識別、姿勢識別、運動、運動理解、結構與運動、立體視覺、控制、規劃等多個領域都有相關應用。

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。

參考資料

【1】http://www.ros.org/

題圖和文圖來源於 ros.org