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机器人操作系统的发展与电子计算机操作系统的发展十分类似。早期的计算机没有操作系统，开发人员需要直接面对硬件，并且各个硬件厂商的产品可能提供了不同的接口和使用方法，给开发人员带来了很多麻烦和重复性工作。而操作系统出现后，每一种操作系统都有自己的驱动程序模型，硬件厂商只需要按照驱动模型开发驱动程序，用户使用计算机时不必过于关心底层细节。
目前智能机器人研发领域也期望有类似的研发过程：如果每个设备厂商为某个“通用机器人平台”开发相应的支持软件，研发人员通过简单的配置和适配开发就能让它们协调工作，从而可以把更多的时间投入到应用设计与开发之中。同时，机器人软件研发也存在很多共性问题，比如易用性、开发效率、跨平台、多编程语言、分布式部署、代码可重用，等等。随着机器人领域的快速发展和复杂化，智能机器人的各项能力正在日趋完善，为智能机器人编写软件也变得越来越复杂繁重。
针对这些问题的解决需求，机器人操作系统应运而生。2010年Willow Garage公司发布了开源机器人操作系统ROS，很快就在机器人研究领域掀起了学习和使用ROS的热潮。
与Windows、Linux等传统意义上的计算机操作系统不同，机器人操作系统（ROS）并不具体负责计算机进程管理与调度。实际上它是一系列运行在上述计算机操作系统核心上，面向机器人特点的运行支撑软件和软件工具集。例如，ROS通过提供一种软件点对点通信机制，使得开发人员可以高效灵活地组织机器人软件模块。目前通过开发者的不断努力，ROS的功能包集合已经非常丰富，所支持的机器人种类也越来越多。
ROS是用于机器人的一种开源的“后操作系统”，或者说次级操作系统。它提供了类似于操作系统所提供的功能，包含硬件抽象描述、设备管理与控制、通用功能实现、程序间的消息传递、程序发行包管理等，它也提供了一些工具程序和函数库用于获取、建立、编写和运行机器人程序。
ROS的主要设计目标是便于机器人研发过程中的代码复用。因此ROS采用了一种分布式架构，各个软构件可以各自独立地设计，松散、即时地组合起来。并可以按照功能包和功能包集的方式分组，因而可以更容易地分享和发布。
ROS的运行架构是一种基于Socket网络连接的松耦合架构。在ROS的架构中，一切可执行的程序被抽象为节点（node），它可以是传感器数据采集程序、执行器控制程序、规划算法程序、视觉识别程序，等等。各个节点之间均使用ROS提供的消息传递机制进行通信。ROS支持多种类型的通信，包括基于服务的同步RPC通信、基于Topic的异步数据流通信及参数服务器上的数据存储等。
作为一个开放源代码软件系统，ROS的宗旨是构建一个能够整合不同研究成果，实现算法发布、代码重用的通用机器人软件平台。由于这些功能可满足广大开发者的需求，因此，ROS得到了广泛应用。不少智能机器人研发者在ROS的基础上开发了许多如运动规划、定位导航、仿真、感知等高层功能软件包，使得这一软件平台的功能更加丰富，发展更加迅速。目前，ROS1.0已经发行多个版本，同时ROS2.0也已经发行了。如今使用ROS进行软件开发的智能机器人已多达上百种，其范围涵盖机械手、类人机器人、平面移动机器人、无人驾驶汽车和无人飞行器等热点领域，而且大部分传感器在ROS上都得到了较好的支持。基于ROS开发的应用程序更是多达2000余种，涵盖了模拟仿真、硬件驱动、环境感知、运动控制等各个方面。ROS已经逐步成为智能机器人研发领域的通用性软件平台。
ROS具有如下主要特点。
1）分布式架构：ROS将每个工作进程都看作一个节点，使用节点管理器进行统一管理，并提供了一套消息传递机制。这种架构可以分散由计算机视觉和语音识别等CPU密集型任务带来的实时计算压力，也能够适应多机器人系统遇到的挑战。基于套接字通信的大量采用，ROS具备分布式计算的实现能力。在任何具备网络连接的主机上都可运行节点程序，这些主机可以是小型的ARM嵌入式系统，或者是具备强大运算能力的基站服务器，甚至是基于Android系统的移动手机或平板电脑。这些异构计算平台均可成为智能机器人系统的一部分。
2）多语言支持：由于所有节点的通信都是通过网络套接字来实现的，这意味着只要能够提供套接字接口，节点程序可以用任何编程语言来实现。ROS不依赖特定的编程语言，它目前已经支持多种现代编程语言，如C++、Python和Lisp已经在ROS中得到广泛应用，Java的测试性支持也已经实现。ROS采用了一种独立于编程语言的接口定义语言（IDL），并实现了多种编程语言对IDL的封装，使得各个不同编程语言编写的“节点”之间也能透明地进行消息传递。
3）良好的可伸缩性：使用ROS进行机器人研发，既可以简单地编写一两个节点单独运行，又可以通过rospack、roslaunch将很多个节点组织成一个更大的工程，指定它们之间的依赖关系及运行时的组织形式。
4）源码开放：ROS遵循BSD协议，实现源码开放，对个人、商业应用及修改完全免费，这也是使其具有更强生命力的主要原因之一。
ROS系统架构主要被设计划分为三个级别，如图2-1所示。
·文件系统级（Filesystem level），用于描述可以在硬盘上查到的代码及可执行程序。
·计算图级（Computation Graph level），体现的是进程与进程、进程与系统之间的通信。
·开源社区级（Community level），主要包括在开发人员之间如何共享知识、算法和代码。
图2-1 ROS系统架构
ROS中有众多的抽象节点及消息、服务、工具和库文件，需要采用有效的结构管理这些代码。一个ROS程序的不同构件被放在不同的文件夹下，这些文件夹是根据功能的不同来对文件进行组织的。
ROS的软件是以Package（功能包）的方式进行组织的。ROS系统由众多的功能包组成，每个功能包中可能包含多个节点的可执行文件、消息接口定义文件、RPC服务接口定义文件及库文件等。此外还包含一个功能包清单，如图2-2所示。
功能包之间可以配置依赖关系。如果设定了功能包A依赖功能包B，那么ROS在构建系统时，B一定要早于A构建，并且在编译A时，自动配置环境，使得A可以使用B中的头文件和库文件。
（1）功能包集（Stack）
将一些具有某些相关功能的功能包组织在一起，就是一个功能包集。在ROS中存在大量的不同用途的功能包集，如导航功能包集navigation、机械臂运动控制功能包集MoveIt。
图2-2 ROS文件系统级
功能包集必须包含三个文件：CMakeList.txt、Makefile和stack.xml。如果在文件夹下见到stack.xml，那么可以确定这是一个功能包集。
（2）功能包（Package）
功能包是ROS中软件组织的基本形式。创建ROS程序时，功能包具有最小的结构和最少的内容，它可以包含ROS运行的进程（节点）、配置文件等。
当提到功能包时，一般指的是一种特定的文件结构和文件夹组合。这种结构具体如下所示。
·bin/：编译和链接程序后，用于存储可执行文件的文件夹。
·include/package_name/：此目录包含了所需库的头文件。请记住导出功能包清单，因为它们还会被其他功能包所使用。
·msg/：程序开发者开发的非标准消息类型。
·scripts/：包括bash、Python或任何其他脚本的可执行脚本文件。
·src/：程序源文件，可以为节点创建一个文件夹，或者按照希望的方式组织它。
·srv/：程序开发者开发的非标准服务。
·CMakeLists.txt：CMake的生成文件。
·manifest.xml/package.xml：功能包清单文件，其必须包含在功能包中，用来说明此功能包相关的各类信息。如果你发现某个文件夹内包含了此文件，那么这个文件夹很可能是一个功能包。
（3）功能包清单（Manifest）
功能包清单提供关于功能包、许可信息、依赖关系、编译标志等的信息。功能包清单是一个manifests.xml/package.xml文件，通过这个文件能够实现对功能包的管理。打开一个功能包清单文件，可以看到包的名称、依赖关系等信息。功能包清单的作用就是为了更容易地安装和分发这些功能包。
（4）消息类型（Message/msg type）
消息是ROS数据传递的基本元素，消息类型需要用ROS的消息定义语言进行描述。每个功能包的msg文件夹中，都定义了这个功能包需要的消息类型。此外，如果该功能包依赖另外一个功能包，则该功能包可以使用另一功能包的所有消息类型。
ROS使用了一种简化的消息类型描述语言来描述ROS节点发布的数据值。通过这样的描述语言，ROS能够使用多种编程语言生成不同消息类型的代码。
ROS提供了很多预定义的消息类型。如果你创建了一种新型消息类型，那么就要把消息类型的定义放到功能包的msg文件夹下。该文件夹中包含了用于定义各种消息的文件，这些文件都以.msg为扩展名。
（5）服务类型（Service/srv type）
ROS使用了一种简化的服务描述语言来描述ROS的服务类型。这直接借鉴了ROS消息的数据格式，以实现节点之间的请求/响应通信。服务的描述存储在功能包的srv子目录下扩展名为.srv的文件中。
若要调用服务，调用者需要使用该服务功能包的名称及服务名称。例如，对于sample_package1/srv/sample1.srv文件，可以将它称为sample_package1/sample1服务。
ROS中有查看某些功能包名称与服务的相关工具。例如，rossrv工具能输出服务说明.srv文件所在的功能包名称，并可以找到使用某一服务类型的源代码文件。如果要在ROS中创建一个服务，可以使用服务生成器。这些工具能够从基本的服务说明中生成代码，只需要在CMakeLists.txt文件中加一行gensrv（）命令即可。
ROS能够创建一个连接所有进程的抽象“网络”，该网络是进程（节点）之间通过主题或服务的连接所形成的。系统中的任何节点都可以访问此网络，并通过该网络与其他节点进行交互，获取其他节点发布的消息，并将自身数据发布到网络上。
在这一层级中最基本的概念实体包括节点、节点管理器、参数服务器、消息、服务、主题和消息记录包，如图2-3所示，它们均以不同的方式向计算图级提供数据。
图2-3 ROS计算图级
（1）节点（Node）
节点是主要的计算执行进程。如果想要有一个可以与其他节点进行交互的进程，那么需要创建一个节点，并将此节点连接到ROS网络中。通常情况下，系统包含能够实现不同功能的多个节点。最好让每一个节点都具有特定的单一功能，而不是在系统中创建一个包罗万象的“大节点”。
节点都是各自独立的可执行文件，并能够通过主题、服务或参数服务器与其他节点进行通信。ROS通过使用节点概念将代码和功能解耦，提高了系统的容错能力和可维护性，使系统设计得以简化。同时，节点允许ROS能够布置在任意机器上并同时运行。
节点在系统中必须有唯一的名称，以便节点使用特定名称与其他节点进行通信而不产生歧义。节点可以使用不同的库进行编写，如roscpp和rospy，roscpp基于C++，rospy基于Python。
ROS是由很多节点组成的。在这里节点实际上是“软构件”。ROS使用节点使得基于ROS的系统在运行时更加形象化：当许多节点同时运行时，可以方便地使用rqt_graph工具将节点与节点之间的通信绘制成一个图表，其中进程就是图中的节点，节点间的消息连接关系就是其中的弧线连接，如图2-4所示。
图2-4 ROS节点示意
ROS提供了处理节点的工具，如rosnode是一个用于显示节点信息的命令行工具，支持的主要命令具体如下。
·rosnode info node：输出当前节点的信息。
·rosnode kill node：结束当前运行的节点进程。
·rosnode list：列出当前活动的节点。
·rosnode machine hostname：列出某一特定计算机上运行的节点或列出主机名称。
·rosnode ping node：测试节点间的连通性。
·rosnode cleanup：将无法访问节点的注册信息清除。
ROS节点的一个强大功能是在启动该节点时更改参数，此功能使我们能够改变节点、主题和参数的名称。我们无需重新编译代码就能重新配置节点，这样就可以在不同的场景中使用该节点。
以下为一个改变主题名称的示例：
$ rosrun book_tutorials tutorialX topic1:=/level1/topic1
此命令将主题名称从topic1改为/level1/topic1。也许你现在还不明白其作用，但在以后的应用中你会发现它的实用性。
更改节点中的参数与更改主题名称很类似。只需要在参数名称前添加一个下划线，例如：$rosrun book_tutorials tutorialX_param：=9.0。但需要注意的是，不能使用系统保留关键字的名称，具体如下。
·__name：为节点名称保留的一个特殊关键字。
·__log：为记录节点日志存储地址保留的一个关键字。
·__ip__hostname：表示ROS_IP和ROS_HOSTNAME的关键字。
·_master：表示ROS_MASTER_URI的关键字。
·_ns：表示ROS_NAMESPACE的关键字。
（2）节点管理器（Master）
节点管理器用于主题、服务名称的注册和查找等。如果在整个ROS中没有节点管理器，就不会有节点间的通信。需要注意的是，由于ROS本身就是一个分布式网络系统，可以在某一台计算机上运行节点管理器，在其他计算机上运行由该管理器管理的节点。节点管理器通常使用roscore命令运行，它会加载ROS节点管理器及其他ROS核心构件。同时，节点管理器还提供了参数服务器。
（3）参数服务器（Parameter Server）
参数服务器是可通过网络访问的共享的多变量字典，通过关键字存储在节点管理器上。节点使用此服务器存储和检索运行时的参数，还可以改变节点的工作任务。
参数服务器使用XMLRPC实现，并运行在ROS节点管理器上。这意味着其API可通过通用的XMLRPC库进行访问。
ROS中关于参数服务器的工具是rosparam，其支持的参数具体如下。
·rosparam list：列出参数服务器中的所有参数。
·rosparam get parameter：获取参数值。
·rosparam set parameter value：设置参数值。
·rosparam delete parameter：删除参数。
·rosparam dump file：将参数服务器保存到一个文件中。
·rosparam load file：加载参数文件到参数服务器。
（4）消息（Message）
节点可通过消息实现彼此的逻辑联系与数据交换。消息包含一个节点发送到其他节点的数据信息。消息具有多种标准类型，同时用户也可以基于标准消息开发自定义类型的消息。
ROS使用命令行工具rosmsg来获取有关消息的信息，主要参数具体如下。
·rosmsg show：显示一条消息的字段。
·rosmsg list：列出所有消息。
·rosmsg package：列出功能包中的所有消息。
·rosmsg packages：列出所有具有该消息的功能包。
·rosmsg users：搜索使用该消息类型的代码文件。
·rosmsg md5：显示一条消息的MD5检验值。
（5）主题（Topic）
主题是由ROS网络对消息进行路由和消息管理的“数据总线”。每一条消息都要发布到相应的主题上。当一个节点发送数据时，就说该节点正在向主题发布消息。节点可以通过订阅某个主题，接收来自其他节点的消息。节点可以订阅任何节点发布的主题，而不需要了解向该主题发送消息的节点。这就保证了消息的发布者和订阅者之间相互解耦，完全无需知晓对方的存在。主题的名称必须具有唯一性，否则在同名主题之间的消息路由就会发生错误。
每一个主题都是强类型的，发布到主题上的消息必须与主题的ROS消息类型相匹配，并且节点只能接收类型匹配的消息。一个节点要订阅一个主题，相关者必须具有相同的消息类型。
ROS的主题消息可以使用TCP/IP或UDP传输。基于TCP传输称为TCPROS，它使用TCP/IP长连接，这是ROS默认的传输方式。基于UDP传输称为UDPROS，它是一种低延迟、高效率的传输方式，但可能产生数据丢失，所以它适合于远程操控任务。
ROS提供了rostopic命令行工具用于主题操作，允许获取主题的相关信息或直接在网络上发布数据。此工具的参数具体如下。
·rostopic bw/topic：显示主题所使用的带宽。
·rostopic echo/topic：将主题对应的消息输出到屏幕。
·rostopic find message_type：按照类型查找主题。
·rostopic hz/topic：显示主题的发布频率。
·rostopic info/topic：输出关于该主题的信息。
·rostopic list：输出活动主题列表。
·rostopic pub/topic type args：将数据发布到主题。它允许我们直接从命令行中对任意主题创建和发布数据。
·rostopic type/topic：输出主题的类型，或者说主题中发布的消息类型。
（6）服务（Service）
服务用于请求应答模型，也必须有一个唯一的名称。当一个节点提供某个服务时，所有的节点都可以通过使用ROS客户端库所编写的代码与之通信。
ROS关于服务的两个命令行工具是rossrv和rosservice。可以通过rossrv看到有关服务数据结构的信息，并且与rosmsg具有完全一致的用法；通过rosservice可以列出服务列表和查询某个服务。其所支持的命令具体如下。
·rosservice call/service args：根据命令行参数调用服务。
·rosservice find msg-type：根据服务类型查询服务。
·rosservice info/service：输出服务信息。
·rosservice list：输出活动服务列表。
·rosservice type/service：输出服务类型。
·rosservice uri/service：输出服务的ROSRPCURI。
（7）消息记录包（Bag）
消息记录包是一种用于保存和回放ROS消息数据的文件格式，保存在.bag文件中。消息记录包是一种用于存储数据的重要机制，它能够获取并记录各种难以收集的传感器数据。程序可以通过消息记录包反复获取实验数据，以进行必要的开发和算法测试。在使用复杂机器人进行实验工作时，需要经常使用消息记录包。
消息记录包文件可以像实时会话一样在ROS中再现情景，在相同时间内向主题发送相同的数据。通常情况下，开发者可以使用此功能来调试算法。若要使用记录包文件，则可以使用以下ROS工具。
·rosbag：用来录制、播放和执行其他操作。
·rxbag：用于可视化图形环境中的数据。
·rostopic：用于查看节点发送的主题。
ROS开源社区级的概念主要用于ROS资源管理，其能够通过独立的网络社区分享软件和知识。这些资源具体如下。
·发行版（Distribution）：ROS发行版是可以独立安装、带有版本号的一系列功能包集。ROS发行版像Linux发行版一样可发挥类似的作用。这使得ROS软件安装更加容易，而且能够通过一个软件集合来维持一致的版本。
·软件源（Repositorie）：ROS依赖于共享代码与软件源的网站或主机服务，在这里不同的机构都能够发布和分享各自的机器人软件和程序。
·ROS Wiki：ROS Wiki是用于记录有关ROS系统信息的主要论坛。任何人都可以注册账户和贡献自己的文件、提供更正或更新、编写教程及其他信息。
·邮件列表（Mailing list）：ROS用户邮件列表是关于ROS的主要交流渠道，能够交流从ROS软件更新到ROS软件使用中的各种疑惑或信息。
当构建一个规模较大且结构复杂的智能机器人系统时，ROS框架通过名称来处理和提取复杂的信息。因此名称在ROS中具有非常重要的作用：节点、主题、服务和参数均有各自的名称。每一个客户端库都支持名称的命令行再映射，这意味着一个编译过的程序可以在运行时被重新构建，以便于其能够在不同的图级拓扑结构中操作。
计算图资源名称提供了分层命名结构，用于在ROS中计算图中的所有“资源”，如节点、参数、主题和服务。计算图资源名称的机制在ROS中非常有用，对于构建复杂的机器人系统有很大的帮助。
以下是一些计算图资源名称的具体实例。
·/foo
·/nwpu/robot/name
·/ur5/node1
计算图资源名称提供了封装作用。每一个资源被定义在一个命名空间内，该资源可以与其他资源共享。一般来说，资源可以在它们的命名空间内被创建，它们在自己的命名空间内或上一级命名空间内连接资源。连接可以在不同的命名空间的资源之间进行，不过这通常需要编写一段代码来实现。这种封装分离了系统的不同部分，从而避免了因为偶然的名称错误或全局的“名称劫持”而导致出现不期望的结果。
资源名称的解析可以是相对的，所以资源并不一定需要知道它们在哪个命名空间内。这样可以简化节点的编写，在编写每个节点时可以假设它们就在根命名空间内。当将这样编写的节点集成到更大的系统中时，它们可以被放到另一个指定的命名空间内。
例如，有两个开发者A和B，合作开发一个智能机器人的软件系统。A开发的数个节点与B开发的数个节点中有一个节点名字重复（如/Camera_node），如果要将A与B的成果部署到同一台智能机器人上，那么只需将A、B的节点放入不同的命名空间内，即可区分同名的节点。如：
/DeveloperA/Camera_node /DeveloperB/Camera_node
此外，这种机制也在很大程度上增强了ROS的可复用性。例如，我们为一个双目摄像头开发了一个图像采集节点，该节点发布了两个主题：/Camera_Left与/Camera_Right。若智能机器人需要安装两台这种摄像头同时工作，这时可以在两个不同的命名空间（例如CamA、CamB）内分别运行相同的节点，这样该节点发布的主题也在不同的命名空间内，如：
摄像头A：/CamA/Camera_Left与/CamA/Camera_Right
摄像头B：/CamB/Camera_Left与/CamB/Camera_Right
在ROS中，一个有效的资源名称应该具有如下特征。
·第一个字符是字母、波浪号或斜线。
·后续字符可以是字母、数字、下划线或斜线。
“基本名称”中不能有波浪号或斜线。
ROS包含了4类型的计算图资源名称：基本名称、相对名称、全局名称和私有名称，其语法分别如下。
·基本名称：base
·相对名称：relative/name
·全局名称：/global/name
·私有名称：~private/name
默认情况下，名称解析是相对命名空间进行的。如节点/ur5/node1的命名空间为/ur5，因此若该节点使用了“res”资源，那么该名称实际上被解析为/ur5/res。
没有命名空间修饰符的名称都是基本名称。基本名称实际上是一种特殊的相对名称，因此具有相同的解析规则。基本名称用得最多的场合是用来初始化节点名称。
以斜线（/）开头的名称是全局名称，全局名称是被完整解析的。全局名称在一定程度上限制了代码的可移植性，所以应当尽量避免使用。
以波浪号（~）开头的名称是私有名称。私有名称把节点名称转换为一个命名空间。例如，若节点/ur5/node1中使用了“~res”资源，那么该名称实际上是被解析为/ur5/node1/res。