ROS机器人项目开发11例（原书第2版）最新章节_拉姆库玛·甘地那坦著

1.2　ROS概述

ROS是一个开源的、灵活的机器人软件框架，用于机器人应用程序编写。ROS提供了一个硬件抽象层，开发者可以在其中构建机器人应用程序，而不必担心底层硬件。ROS还提供不同的软件工具来可视化和调试机器人数据。ROS框架的一个核心是消息传递中间件，在这个中间件中，进程可以相互通信和交换数据，即使它们运行在不同的机器上。ROS消息传递可以是同步的，也可以是异步的。

ROS中的软件以功能包的形式组织，具有良好的模块性和可重用性。使用ROS消息传递中间件和硬件抽象层，开发人员可以创建大量的机器人功能，例如，地图构建和导航（在移动机器人中）。ROS中的几乎所有功能对机器人而言都是“不可知”的（即基于标准接口封装起来的），因此所有类型的机器人都可以使用它。新的机器人可以直接使用那些功能包，而无须修改功能包中的任何代码。

ROS在大学里有着广泛的合作关系，许多开发人员对ROS的发展做出了贡献。可以说ROS是一个由全世界开发者支持的社区驱动项目。这个活跃的开发者生态系统将ROS与其他机器人框架区分开来。

简而言之，ROS是管道（或通信，即通信机制）、（开发）工具、（应用）功能和生态系统的组合，这些功能如图1.1所示。

ROS项目于2007年在斯坦福大学以Switchyard为名启动，随后在2008年由一家名为Willow Garage的机器人研究初创公司进行开发。ROS的主要开发工作由Willow Garage完成。2013年，Willow Garage的研究人员成立了开源机器人基金会（Open Source Robotics Foundation，OSRF）。ROS现在由OSRF积极维护。下面，让我们介绍几个ROS发行版。

图1.1　ROS“公式”（图片来源：ros.org。基于知识共享授权协议CC-BY-3.0： https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/us/legalcode ）

下面是两个组织的网址。Willow Garage： http://www.willowgarage.com/ 。OSRF： http://www.osrfoundation.org/ 。

1.2.1　ROS发行版

ROS发行版与Linux发行版非常相似，即由ROS功能包构建成的版本集。每个发行版都维护一组稳定的核心功能包，直到发行版的生命周期结束（End Of Life，EOL）。

ROS发行版与Ubuntu完全兼容，大多数ROS发行版都是根据各自的Ubuntu版本进行规划的。

图1.2展示了ROS网站上推荐使用的一些最新的ROS发行版（截至本书英文版撰写时）。

图1.2　最新ROS发行版（图片来源：ros.org。基于知识共享授权协议CC-BY-3.0： https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/us/legalcode ）

最新的ROS发行版是Melodic Morenia，对此版本的支持时间将延续到2023年5月。这个最新的ROS发行版的一个问题是，目前大多数功能包都不可用，这是因为把功能包从以前的发行版迁移到该版本需要时间。如果读者正在寻找一个稳定的发行版，那么可以选择ROS Kinetic Kame，该版本发行于2016年，大部分功能包都可以正常使用。不建议读者选择ROS Lunar Loggerhead，因为该发行版的支持时间仅延续至2019年5月。

1.2.2　支持的操作系统

ROS的主要目标操作系统是Ubuntu。ROS发行版是根据Ubuntu的发布版进行规划的。目前，除了Ubuntu以外，Ubuntu ARM、Debian、Gentoo、macOS、Arch Linux、Android、Windows和OpenEmbedded也提供了对ROS不完全支持（部分功能不可用）。

表1.1展示了新的ROS发行版和支持的特定操作系统版本。

表1.1　ROS发行版及支持的操作系统版本

ROS Melodic和Kinetic均为长期支持版（Long-Term Support，LTS），支持时间与Ubuntu的长期支持版的支持时间一致。使用LTS发行版的优点是可以获得最长的支持寿命。

在下一节中，我们将介绍ROS支持的机器人和传感器。

1.2.3　支持的机器人及传感器

ROS框架是最成功的机器人技术框架之一，世界各地的大学都对其做出了贡献。由于其活跃的生态系统和开源性质，ROS广泛应用于大多数机器人，并且兼容主要的机器人硬件和软件。图1.3展示了一些完全在ROS上运行的著名机器人。

图1.3　ROS支持的主流机器人型号（图片来源：ros.org。基于知识共享授权协议CC-BY-3.0： https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/us/legalcode ）

ROS支持的机器人型号详见 http://wiki.ros.org/Robots 。

读者可以从以下链接获取相应机器人的ROS功能包：

·Pepper： http://wiki.ros.org/Robots/Pepper 。

·REEM-C： http://wiki.ros.org/Robots/REEM-C 。

·TurtleBot 2： http://wiki.ros.org/Robots/TurtleBot 。

·Robonaut： http://wiki.ros.org/Robots/Robonaut2 。

·Universal机械臂： http://wiki.ros.org/universal_robot 。

图1.4展示了ROS支持的一些主流传感器。

图1.4　ROS支持的主流传感器（图片来源：ros.org。基于知识共享授权协议CC-BY-3.0： https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/us/legalcode ）

ROS支持的传感器类型与型号详见 http://wiki.ros.org/Sensors 。

以下是相应传感器的ROS wiki主页：

·Velodyne： http://wiki.ros.org/velodyne 。

·ZED Camera： http://wiki.ros.org/zed-ros-wrapper 。

·Teraranger： http://wiki.ros.org/teraranger 。

·Xsens： http://wiki.ros.org/xsens_driver 。

·Hokuyo激光测距仪： http://wiki.ros.org/hokuyo_node 。

·Intel RealSense： http://wiki.ros.org/realsense_camera 。

下面，我们介绍ROS有哪些优势和特点。

1.2.4　为什么选择ROS

构建ROS框架的主要目的是打造机器人的通用软件框架。尽管在ROS之前就有了许多机器人学的相关研究，但大多数软件都是各自的机器人独有的。这些独有的软件可能是开源的，但很难重用。

与现有的其他机器人框架相比，ROS在以下方面表现出色：

· 协作开发：正如我们讨论过的，ROS是开源的，可以免费用于工业界和学术界。开发人员可以通过添加功能包的方式扩展ROS的功能。几乎所有的ROS功能包都在一个硬件抽象层上工作，因此它可以很容易地被其他机器人应用程序重用。所以，如果一所大学擅长移动导航，另一所大学擅长机器人操控，则可以把相应的功能包贡献给ROS社区，这样其他开发人员就可以重用这些功能包并构建新的应用程序。

· 多语言支持： ROS通信框架可以使用多种现代编程语言轻松实现。它支持的流行语言包括C++、Python和Lisp，此外它还有Java和Lua的实验库。

· 库集成： ROS具有与许多第三方机器人库的接口，如开源计算机视觉（OpenCV）、点云库（PCL）、OpenNI、OpenRAVE和Orocos。开发人员可以轻松地使用这些库进行应用程序开发。

· 模拟器集成： ROS还与开源模拟器（如Gazebo）联系紧密、相互融合，并与专有模拟器（如Webots和V-REP）有良好的接口。

· 代码测试： ROS提供了一个名为rostest的内置测试框架来检查代码质量和错误。

· 可伸缩性： ROS框架设计考虑了可伸缩性。可以使用ROS与机器人一起执行繁重的计算任务，其中ROS可以放在云上，也可以放在异构集群上。

· 可定制性：正如我们讨论过的，ROS是完全开源和免费的，因此可以根据机器人的实际需求定制这个框架。如果我们只想使用ROS消息平台，那么可以删除所有其他组件并仅使用它。我们甚至可以为特定的机器人定制ROS以获得更好的性能。

· 社区： ROS是一个社区驱动的项目，主要由OSRF领导。大型社区支持是ROS的一大优势，这意味着我们可以轻松地开始机器人应用程序开发。

以下是可与ROS集成的库和模拟器的URL：

·OpenCV： http://wiki.ros.org/vision_opencv 。

·PCL： http://wiki.ros.org/pcl_ros 。

·OpenNI： http://wiki.ros.org/openni_launch 。

·OpenRAVE： http://openrave.org/ 。