ROS实战（八）ROS2初探

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摘要：转眼间三年已经过去，而我也开始面临毕业的问题。由于导师放养式的教学，导致我的论文一直没什么长进。抱怨没有用，一切靠自己。还是得把之前丢下的捡起来。

本文主要介绍ROS2.

关键词：ROS2

为什么是ROS2

ROS2是一个全新的机器人操作系统，在借鉴ROS1成功经验的基础上，对系统架构和软件代码全部进行了重新设计和实现。与ROS1相比，体现在以下几点：

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  • 系统出现了颠覆性的变化，ROS1的所有节点都需要在节点管理器ROS Master下进行工作，一旦Master出现问题，系统就会宕机。ROS2实现了真正的分布式，不再有Master这个角色，借助全新的通信框架DDS，为所有节点提供了可靠通信保障。

  • 软件API进行了重新设计，ROS1原有的接口无法满足需求，ROS2结合C++最新标准和Python3语言特性，设计了更具通用的API，虽然导致原有ROS1的代码无法直接在ROS2上运行，但是尽量保留了类似的使用方法，同时提供了大量的移植说明。

  • 编译系统进行了升级，ROS1仲使用的rosbuild和catkin问题诸多，尤其是针对代码比较多的项目以及Python编写的项目。编译、连接经常会出错，ROS2对这些进行了优化，重新优化后的编译系统叫做ament和colcon。

    以上几点是框架层面的优化，而ROS1和ROS2的明显变化，请看下文：

    ROS2 vs ROS1

    系统架构

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    如图所示，可以看出最大的变化就是Master。

  • ROS1中，应用层里面的Master节点管理器至关重要，所有节点都得听他指挥。ROS2把这个不稳定的角色请走了，节点可以通过自发现机制找到彼此，从而建立稳定的通信连接；

  • 中间层是ROS封装好的标准通信接口，写程序会频繁和这些接口打交道，比如发布一个图像的数据，接受一个雷达的信息，客户端库再调用底层复杂的驱动和通信协议，使得我们的开发变得更加明了。

  • ROS1中，ROS通信依赖底层的TCP和UDP通信，ROS2中，通信协议换成了更见复杂但更见完善的DDS系统；

  • 如果是进程内需要大量数据的通信，ROS1和ROS2都提供了基于共享内存的通信方法，只不过名字不太一样；

  • 最下面是系统层，也就是ROS可以安装在那些操作系统上，ROS1主要安装在Linux上，ROS2的可选项很多，Linux、Windows、MacOS、RTOS都可以；

DDS通信

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ROS1中基于TCP/UDP的通信系统，频繁诟病与延迟、丢数据、无法加密等问题，ROS2中的DDS在通信层面的功能就丰富多了；

DDS是物联网中广泛得到应用的一种通信协议。DDS是一个国际标准，能够实现该标准的软件系统并不是唯一的，可以选择多个厂家提供的DDS系统，比如OpenSplice、FastRTPS，还有更多厂家提供的，每一家的性能不同，适用的场景也不一样；

ROS2设计了个ROS Middleware，RMW，也就是指定一个标准的接口，比如如何发数据、如何收数据，数据的各自属性如何配置，等。如果厂家想要接入DDS社区，需要按照这个标准写一个适配的接口，将自家的DDS移植过来，这样问题交给了熟悉自家的DDS厂家。

当我们在产品开发时，可以先用开源版本的DDS满足业务需求，部署交付的产品时，再更改为商业版本更加稳定的DDS，减少开发成本。

总之，DDS的加入，让ROS2更加稳定，也更加灵活，与之相同的时复杂度也会变高。这样我们不用在纠结ROS的通信系统是否稳定、应该如何优化等问题，更多精力可以放在其他三个部分，专注优化机器人应用功能。

核心概念

ROS1应用以及非常广泛，全球有几百万开发者，大家已经熟悉了ROS1的开发方式和其中很多的概念。ROS2尽量保留了这些概念，以便开发者从ROS1迁移到ROS2。

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编码方式

如果各位熟悉ROS1，这里的概念应该并不陌生，在ROS2中，这些概念依然存在，意义也几乎一致，在本课程的第二个部分，我们就会一一讲解这些概念的含义和使用方法，没有学习过ROS的小伙伴也不用担心。

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总体而言，ROS2会用到更多面向对象的实现方法和语言特性，从编程语言的角度来讲，难度确实会提高一些，不过当我们迈过这道坎之后，就会发现我们写的程序会更具备可读性和可移植性，也会更接接近真实企业中机器人软件开发的过程。

命令行

最后我们再对比下ROS开发中最为常用的一种工具——命令行。

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ROS1中的命令行相对分散，每一个功能都是一个独立的命令，比如rosrun启动某一个节点，rostopic控制话题相关的功能。

ROS2对命令行做了大幅度的集成，所有命令都集成在一个ros2的主命令中，比如ros2 run，表示启动某一个节点，ros2 topic表示话题相关的功能。

总结

ROS2和ROS1相比，总结如下：

  • 节点干掉了Master
  • 通信换成了DDS
  • 核心概念没变化
  • 编程难度有上升