作者：良知猶存

來(lái)源：羽林君

前言

? ? 本來(lái)是要寫(xiě)一篇STM32移植ROS的一個(gè)小lib庫(kù)，ROS一般都是需要跑在Linux上的，STM32使用就是當(dāng)成一個(gè)ROS通訊的小節(jié)點(diǎn)，但是寫(xiě)文章時(shí)間不夠，所以就簡(jiǎn)單做一篇ROS的介紹文章，分享給嵌入式的小伙伴們。ROS現(xiàn)在在機(jī)器人領(lǐng)域會(huì)有比較多的應(yīng)用，學(xué)習(xí)的人群也逐漸增多，甚至?xí)袑ｉT(mén)的ROS崗位進(jìn)行招聘，并且普遍工資要比一般的嵌入式開(kāi)發(fā)高一些。今天給大家分享一下，希望大家可以一起學(xué)習(xí)進(jìn)步哈。

ROS是什么

?????ROS（機(jī)器人操作系統(tǒng)，Robot Operating System），是專為機(jī)器人軟件開(kāi)發(fā)所設(shè)計(jì)出來(lái)的一套電腦操作系統(tǒng)架構(gòu)。它是一個(gè)開(kāi)源的元級(jí)操作系統(tǒng)（后操作系統(tǒng)），提供類似于操作系統(tǒng)的服務(wù)，包括硬件抽象描述、底層驅(qū)動(dòng)程序管理、共用功能的執(zhí)行、程序間消息傳遞、程序發(fā)行包管理，它也提供一些工具和庫(kù)用于獲取、建立、編寫(xiě)和執(zhí)行多機(jī)融合的程序。

ROS的運(yùn)行架構(gòu)是一種使用ROS通信模塊實(shí)現(xiàn)模塊間P2P的松耦合的網(wǎng)絡(luò)連接的處理架構(gòu)，它執(zhí)行若干種類型的通訊，包括：

1. 1.基于服務(wù)的同步RPC（遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用）通訊；

2. 2.基于Topic的異步數(shù)據(jù)流通訊，還有參數(shù)服務(wù)器上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

發(fā)展目標(biāo)

??? ROS的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是在機(jī)器人研發(fā)領(lǐng)域提高代碼復(fù)用率。ROS是一種分布式處理框架（又名Nodes）。這使可執(zhí)行文件能被單獨(dú)設(shè)計(jì)，并且在運(yùn)行時(shí)松散耦合。這些過(guò)程可以封裝到數(shù)據(jù)包（Packages）和堆棧（Stacks）中，以便于共享和分發(fā)。ROS還支持代碼庫(kù)的聯(lián)合系統(tǒng)。使得協(xié)作亦能被分發(fā)。這種從文件系統(tǒng)級(jí)別到社區(qū)一級(jí)的設(shè)計(jì)讓獨(dú)立地決定發(fā)展和實(shí)施工作成為可能。上述所有功能都能由ROS的基礎(chǔ)工具實(shí)現(xiàn)。

為了實(shí)現(xiàn)“共享與協(xié)作”這一首要目標(biāo)，人們制訂了ROS架構(gòu)中的其他支援性目標(biāo)：

• “輕便”：ROS是設(shè)計(jì)得盡可能方便簡(jiǎn)易。您不必替換主框架與系統(tǒng)，因?yàn)镽OS編寫(xiě)的代碼可以用于其他機(jī)器人軟件框架中。毫無(wú)疑問(wèn)的，ROS更易于集成與其他機(jī)器人軟件框架。事實(shí)上ROS已完成與OpenRAVE、Orocos和Player的整合。

• ROS-agnostic庫(kù)：【agnostic：不可知論】建議的開(kāi)發(fā)模型是使用clear的函數(shù)接口書(shū)寫(xiě)ROS-agnostic庫(kù)。

• 語(yǔ)言獨(dú)立性：ROS框架很容易在任何編程語(yǔ)言中執(zhí)行。我們已經(jīng)能在Python和C 中順利運(yùn)行，同時(shí)添加有Lisp、Octave和Java語(yǔ)言庫(kù)。

• 測(cè)試簡(jiǎn)單：ROS有一個(gè)內(nèi)建的單元/組合集測(cè)試框架，稱為“rostest”。這使得集成調(diào)試和分解調(diào)試很容易。

• 擴(kuò)展性：ROS適合于大型實(shí)時(shí)系統(tǒng)與大型的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目
  
  

?????在ROS的計(jì)算圖中，ROS的Master以一個(gè)name service的方式工作。它給ROS的節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)了topics和service的注冊(cè)信息。Nodes 與Master通信從而報(bào)告它們的注冊(cè)信息。當(dāng)這些節(jié)點(diǎn)與master通信的時(shí)候，它們可以接收關(guān)于其他以注冊(cè)節(jié)點(diǎn)的信息并且建立與其它以注冊(cè)節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系。當(dāng)這些注冊(cè)信息改變時(shí)Master也會(huì)回饋這些節(jié)點(diǎn)，同時(shí)允許節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)創(chuàng)建與新節(jié)點(diǎn)之間的連接。

???

?????節(jié)點(diǎn)之間的連接是直接的；Master僅僅提供了查詢信息，就像一個(gè)DNS服務(wù)器。節(jié)點(diǎn)訂閱一個(gè)topic將會(huì)要求建立一個(gè)與發(fā)布該topics的節(jié)點(diǎn)的連接，并且將會(huì)在同意連接協(xié)議的基礎(chǔ)上建立該連接。ROS里面使用最廣的連接協(xié)議是TCPROS，這個(gè)協(xié)議使用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP 接口。

????

????這樣的架構(gòu)允許解耦操作（decoupled operation），通過(guò)這種方式大型或是更為復(fù)雜的系統(tǒng)得以建立，其中names方式是一種行之有效的手段。names方式在ROS系統(tǒng)中扮演極為重要的角色：topics, services, and parameters 都有各自的names。每一個(gè)ROS客戶端庫(kù)都支持重命名，這等同于，每一個(gè)編譯成功的程序能夠以另一種形似【名字】運(yùn)行。

??? ROS通信接口正在成為機(jī)器人軟件互操作的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，也就是 說(shuō)絕大部分最新的硬件驅(qū)動(dòng)和最前沿的算法實(shí)現(xiàn)都可以在 ROS中找到。例如，在ROS的官方網(wǎng)頁(yè) 上有著大量的開(kāi)源軟 件庫(kù)，這些軟件使用ROS通用接口，從而避免為了集成它們而 重新開(kāi)發(fā)新的接口程序

ROS可以做什么

????當(dāng)我們希望稍微提高一下機(jī)器人復(fù)雜度的時(shí)候，就會(huì)發(fā)現(xiàn)另一個(gè)需要考慮的問(wèn)題，進(jìn)程間通信。在我們用Windows RTX的時(shí)候，進(jìn)程間通信使用RTX提供的shared memory，不過(guò)都是比較慢的圖像處理進(jìn)程向shared memory中寫(xiě)數(shù)據(jù)，決策和運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)程讀數(shù)據(jù)。shared memory顯然并不是很好的通信方式，這里不再多加討論。ROS則使用了一個(gè)很好的通信架構(gòu)，并且是ROS整個(gè)框架的一個(gè)基礎(chǔ)（不論是對(duì)于ROS中的topic，service，plugin，actionlib等基礎(chǔ)概念還是rviz，navigation package等功能包。

???

??? ROS為開(kāi)發(fā)者提供了一系列非常有用的工具，可以大大提高我們開(kāi)發(fā)的效率。

rqt_plot：可以實(shí)時(shí)繪制當(dāng)前任意Topic的數(shù)值曲線；

rqt_graph：可以繪制出各節(jié)點(diǎn)之間的連接狀態(tài)，和正在使用的Topic等；

TF：TF是Transform的簡(jiǎn)寫(xiě)，利用它，我們可以實(shí)時(shí)知道各連桿坐標(biāo)系的位姿，也可以求出兩個(gè)坐標(biāo)系的相對(duì)位置。

Rviz：超強(qiáng)大的3D可視化工具，可以顯示機(jī)器人模型、3D電影、各種文字圖標(biāo)、也可以很方便二次開(kāi)發(fā)；

?

???除了ROS本身之外，世界上已經(jīng)有很多非常優(yōu)秀的機(jī)器人開(kāi)源項(xiàng)目，但是ROS正逐漸將它們一一囊括在自己的范疇里，所以你可以在ROS里面很容易的使用這些開(kāi)源項(xiàng)目：（這部分項(xiàng)目介紹文字摘自公眾號(hào)：【Nao】 一位交大的算法博士的公眾號(hào)）

OROCOS：這個(gè)開(kāi)源項(xiàng)目主要側(cè)重于機(jī)器人底層控制器的設(shè)計(jì)，包括用于計(jì)算串聯(lián)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)值解的KDL、貝葉斯濾波、實(shí)時(shí)控制等功能。

OpenRave：這是在ROS之前最多人用來(lái)做運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的平臺(tái)，ROS已經(jīng)將其中的ikfast（計(jì)算串聯(lián)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)解析解）等功能吸收。

Player：一款優(yōu)秀的二維仿真平臺(tái)，可以用于平面移動(dòng)機(jī)器人的仿真，現(xiàn)在在ROS里可以直接使用。

OpenCV：大名鼎鼎的機(jī)器視覺(jué)開(kāi)源項(xiàng)目，ROS提供了cv_bridge，可以將OpenCV的圖片與ROS的圖片格式相互轉(zhuǎn)換。

OMPL：現(xiàn)在最著名的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃開(kāi)源項(xiàng)目，已經(jīng)成了MoveIt的一部分。

Visp：一個(gè)開(kāi)源視覺(jué)伺服項(xiàng)目，已經(jīng)跟ROS完美整合。

Gazebo：一款優(yōu)秀的開(kāi)源仿真平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)仿真、傳感器仿真等，也已被ROS吸收。

當(dāng)然，除了吸收別的優(yōu)秀開(kāi)源項(xiàng)目，ROS自己也發(fā)展出許多非常優(yōu)秀的項(xiàng)目和庫(kù)。

ORK：一個(gè)物體識(shí)別與位姿估計(jì)開(kāi)源庫(kù)，包含LineMod等算法，但實(shí)際使用效果還不是太理想。下圖是LineMod識(shí)別效果

PCL：一個(gè)開(kāi)源點(diǎn)云處理庫(kù)，原本是從ROS中發(fā)展起來(lái)的，后來(lái)由于太受歡迎，為了讓非ROS用戶也能用，就單獨(dú)立了一個(gè)PCL的項(xiàng)目。

Gmapping：這其實(shí)是在OpenSlam項(xiàng)目繼承過(guò)來(lái)的（后來(lái)發(fā)展和改動(dòng)較大），利用gmapping可以實(shí)現(xiàn)laser-based SLAM，快速建立室內(nèi)二維地圖,下圖就是gmapping建立二維地圖

Localization：基于擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF）和無(wú)跡卡爾曼濾波（UKF）的機(jī)器人定位算法，可以融合各種傳感器的定位信息，獲得較為準(zhǔn)確的定位效果。

robot_localization示意圖

Navigation：基于Dijkstra、A*算法（全局規(guī)劃器）和動(dòng)態(tài)窗口法DWA（局部規(guī)劃器）的移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃模塊，可以在二維地圖上實(shí)現(xiàn)機(jī)器人導(dǎo)航。

MoveIt：這個(gè)是專注于移動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的模塊，運(yùn)動(dòng)規(guī)劃.

當(dāng)然，除了這些最先進(jìn)算法外，ROS還有各種機(jī)器人、傳感器驅(qū)動(dòng)等內(nèi)容。

ROS怎么學(xué)

???Nao作者

????首先，ROS版本定期更新、主要模塊有專人維護(hù)、問(wèn)答區(qū)活躍、各mail lists也非常活躍、開(kāi)發(fā)者非常熱衷交流分享。如果深入到ROS社區(qū)，可以學(xué)到很多東西。

??? ROS的基本架構(gòu)和開(kāi)發(fā)方式。我個(gè)人是強(qiáng)烈推薦直接看ROS官網(wǎng)上的教程ROS/Tutorials的Beginner Level（多看幾遍），同時(shí)充分使用ROS的問(wèn)答社區(qū)ROS Answers與各模塊的Mail Lists，很多基礎(chǔ)問(wèn)題可能前人都遇到過(guò)。

????其次，在了解ROS的基本架構(gòu)與開(kāi)發(fā)方式后，就可以有針對(duì)性地看自己所關(guān)心的部分了。如做移動(dòng)機(jī)器人的同學(xué)就去看Navigation教程；做物體識(shí)別的就去看ORK教程；做運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的就去看MoveIt教程。這一步最好能跟有實(shí)際機(jī)器人練手（如果沒(méi)有的話，就用gazebo仿真）。由于一些模塊的教程不夠清楚（如MoveIt），一定要多練習(xí)，甚至是去看部分源碼，先保證自己會(huì)用ROS實(shí)現(xiàn)一些功能。

????對(duì)于ROS與實(shí)際機(jī)器人的連接，建議仔細(xì)看看action（編寫(xiě)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)package）、URDF（機(jī)器人描述文件）的教程（或者ros_control）。我為SDA5F機(jī)器人編寫(xiě)了URDF文件，并修改了motoman_driver中的action，使得在ROS環(huán)境中用MoveIt規(guī)劃控制雙臂機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。

????最后，就是進(jìn)階階段了。我要強(qiáng)調(diào)一句“ROS只是一個(gè)工具"，你會(huì)用ROS做SLAM并不能說(shuō)明你會(huì)做SLAM。對(duì)于自己研究的內(nèi)容，必須沉下心去看教材和論文，去理解每種算法背后的原理，知道如何調(diào)整算法參數(shù)、如何改進(jìn)算法，最終能夠自己編寫(xiě)某部分代碼，并替換ROS的相應(yīng)模塊（如自己寫(xiě)運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解替代KDL等）。做研究，交流非常重要。如果你改進(jìn)ROS某一算法后，最好能與package的原作者交流，將自己的修改merge到原項(xiàng)目中，在交流中提高自己與package的水平。當(dāng)然，如果對(duì)算法有疑問(wèn)，也可以直接咨詢作者，ROS里的貢獻(xiàn)者大都非常愿意分享和交流。

? ?

? ?此外除了一個(gè)好的學(xué)習(xí)平臺(tái)，我們還需要一個(gè)趁手的使用工具：推薦TurtleBot

? ??

??? TurtleBot可以說(shuō)是ROS中最為重要的機(jī)器人之一，它伴隨ROS一同成長(zhǎng)，一直都作為ROS開(kāi)發(fā)前沿的機(jī)器人，幾乎每個(gè)版本的ROS測(cè)試都會(huì)以TurtleBot為主，包括ROS2也率先在TurtleBot上進(jìn)行了大量測(cè)試。

????所以TurtleBot是ROS支持度最好的機(jī)器人之一，可以在ROS社區(qū)中獲得大量關(guān)于TurtleBot的相關(guān)資源，很多功能包都能直接復(fù)用到我們自己的移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)上，絕對(duì)是使用ROS開(kāi)發(fā)移動(dòng)機(jī)器人的重要資源。并且TurtleBot相關(guān)的國(guó)內(nèi)支持平臺(tái)：創(chuàng)客制造網(wǎng)站也提供了許多詳細(xì)資料。

這就是我分享的ROS，最近也有在用ROS以及更加深入的學(xué)習(xí)ROS，有些資料大家可以添加我微信，我可以分享給大家。此外如果大家有什么更好的思路，也歡迎分享交流哈。

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