ROS

 　　一、歷史

　　隨著機(jī)器人領(lǐng)域的快速發(fā)展和復(fù)雜化，代碼的復(fù)用性和模塊化的需求原來(lái)越強(qiáng)烈，而已有的開(kāi)源機(jī)器人系統(tǒng)又不能很好的適應(yīng)需求。2010年Willow Garage公司發(fā)布了開(kāi)源機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS(robot operating system)，很快在機(jī)器人研究領(lǐng)域展開(kāi)了學(xué)習(xí)和使用ROS的熱潮。

　　ROS系統(tǒng)是起源于2007年斯坦福大學(xué)人工智能實(shí)驗(yàn)室的項(xiàng)目與機(jī)器人技術(shù)公司W(wǎng)illow Garage的個(gè)人機(jī)器人項(xiàng)目(Personal Robots Program)之間的合作，2008年之后就由Willow Garage來(lái)進(jìn)行推動(dòng)。已經(jīng)有四年多的時(shí)間了(視頻)。隨著PR2那些不可思議的表現(xiàn)，譬如疊衣服，插插座，做早飯，ROS也得到越來(lái)越多的關(guān)注。Willow Garage公司也表示希望借助開(kāi)源的力量使PR2變成“全能”機(jī)器人。

　　PR2價(jià)格高昂，2011年零售價(jià)高達(dá)40萬(wàn)美元。PR2現(xiàn)主要用于研究。PR2有兩條手臂，每條手臂七個(gè)關(guān)節(jié)，手臂末端是一個(gè)可以張合的鉗子。PR2依靠底部的四個(gè)輪子移動(dòng)。在PR2的頭部，胸部，肘部，鉗子上安裝有高分辨率攝像頭，激光測(cè)距儀，慣性測(cè)量單元，觸覺(jué)傳感器等豐富的傳感設(shè)備。在PR2的底部有兩臺(tái)8核的電腦作為機(jī)器人各硬件的控制和通訊中樞。兩臺(tái)電腦安裝有Ubuntu和ROS。

　　二、設(shè)計(jì)目標(biāo)

　　ROS是開(kāi)源的，是用于機(jī)器人的一種后操作系統(tǒng)，或者說(shuō)次級(jí)操作系統(tǒng)。它提供類似操作系統(tǒng)所提供的功能，包含硬件抽象描述、底層驅(qū)動(dòng)程序管理、共用功能的執(zhí)行、程序間的消息傳遞、程序發(fā)行包管理，它也提供一些工具程序和庫(kù)用于獲取、建立、編寫和運(yùn)行多機(jī)整合的程序。

　　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)。

　　三、主要特點(diǎn)

　　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，包括基于服務(wù)的同步RPC(遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用)通訊、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)。但是ROS本身并沒(méi)有實(shí)時(shí)性。

　　ROS的主要特點(diǎn)可以歸納為以下幾條：

　　(1)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　一個(gè)使用ROS的系統(tǒng)包括一系列進(jìn)程，這些進(jìn)程存在于多個(gè)不同的主機(jī)并且在運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)端對(duì)端的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)系。雖然基于中心服務(wù)器的那些軟件框架也可以實(shí)現(xiàn)多進(jìn)程和多主機(jī)的優(yōu)勢(shì)，但是在這些框架中，當(dāng)各電腦通過(guò)不同的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接時(shí)，中心數(shù)據(jù)服務(wù)器就會(huì)發(fā)生問(wèn)題。

　　ROS的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)設(shè)計(jì)以及服務(wù)和節(jié)點(diǎn)管理器等機(jī)制可以分散由計(jì)算機(jī)視覺(jué)和語(yǔ)音識(shí)別等功能帶來(lái)的實(shí)時(shí)計(jì)算壓力，能夠適應(yīng)多機(jī)器人遇到的挑戰(zhàn)。

　　(2)多語(yǔ)言支持

　　在寫代碼的時(shí)候，許多編程者會(huì)比較偏向某一些編程語(yǔ)言。這些偏好是個(gè)人在每種語(yǔ)言的編程時(shí)間、調(diào)試效果、語(yǔ)法、執(zhí)行效率以及各種技術(shù)和文化的原因?qū)е碌慕Y(jié)果。為了解決這些問(wèn)題，我們將ROS設(shè)計(jì)成了語(yǔ)言中立性的框架結(jié)構(gòu)。ROS現(xiàn)在支持許多種不同的語(yǔ)言，例如C++、Python、Octave和LISP，也包含其他語(yǔ)言的多種接口實(shí)現(xiàn)。

　　ROS的特殊性主要體現(xiàn)在消息通訊層，而不是更深的層次。端對(duì)端的連接和配置利用XML-RPC機(jī)制進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，XML-RPC也包含了大多數(shù)主要語(yǔ)言的合理實(shí)現(xiàn)描述。我們希望ROS能夠利用各種語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的更加自然，更符合各種語(yǔ)言的語(yǔ)法約定，而不是基于C語(yǔ)言給各種其他語(yǔ)言提供實(shí)現(xiàn)接口。然而，在某些情況下利用已經(jīng)存在的庫(kù)封裝后支持更多新的語(yǔ)言是很方便的，比如Octave的客戶端就是通過(guò)C++的封裝庫(kù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的。

　　為了支持交叉語(yǔ)言，ROS利用了簡(jiǎn)單的、語(yǔ)言無(wú)關(guān)的接口定義語(yǔ)言去描述模塊之間的消息傳送。接口定義語(yǔ)言使用了簡(jiǎn)短的文本去描述每條消息的結(jié)構(gòu)，也允許消息的合成，例如下圖就是利用接口定義語(yǔ)言描述的一個(gè)點(diǎn)的消息：

　　每種語(yǔ)言的代碼產(chǎn)生器就會(huì)產(chǎn)生類似本種語(yǔ)言目標(biāo)文件，在消息傳遞和接收的過(guò)程中通過(guò)ROS自動(dòng)連續(xù)并行的實(shí)現(xiàn)。這就節(jié)省了重要的編程時(shí)間，也避免了錯(cuò)誤：之前3行的接口定義文件自動(dòng)的擴(kuò)展成137行的C++代碼，96行的Python代碼，81行的Lisp代碼和99行的Octave代碼。因?yàn)橄⑹菑母鞣N簡(jiǎn)單的文本文件中自動(dòng)生成的，所以很容易列舉出新的消息類型。在編寫的時(shí)候，已知的基于ROS的代碼庫(kù)包含超過(guò)四百種消息類型，這些消息從傳感器傳送數(shù)據(jù)，使得物體檢測(cè)到了周圍的環(huán)境。

　　最后的結(jié)果就是一種語(yǔ)言無(wú)關(guān)的消息處理，讓多種語(yǔ)言可以自由的混合和匹配使用。

　　(3)精簡(jiǎn)與集成

　　大多數(shù)已經(jīng)存在的機(jī)器人軟件工程都包含了可以在工程外重復(fù)使用的驅(qū)動(dòng)和算法，不幸的是，由于多方面的原因，大部分代碼的中間層都過(guò)于混亂，以至于很困難提取出它的功能，也很難把它們從原型中提取出來(lái)應(yīng)用到其他方面。

　　為了應(yīng)對(duì)這種趨勢(shì)，我們鼓勵(lì)將所有的驅(qū)動(dòng)和算法逐漸發(fā)展成為和ROS沒(méi)有依賴性單獨(dú)的庫(kù)。ROS建立的系統(tǒng)具有模塊化的特點(diǎn)，各模塊中的代碼可以單獨(dú)編譯，而且編譯使用的CMake工具使它很容易的就實(shí)現(xiàn)精簡(jiǎn)的理念。ROS基本將復(fù)雜的代碼封裝在庫(kù)里，只是創(chuàng)建了一些小的應(yīng)用程序?yàn)镽OS顯示庫(kù)的功能，就允許了對(duì)簡(jiǎn)單的代碼超越原型進(jìn)行移植和重新使用。作為一種新加入的有優(yōu)勢(shì)，單元測(cè)試當(dāng)代碼在庫(kù)中分散后也變得非常的容易，一個(gè)單獨(dú)的測(cè)試程序可以測(cè)試庫(kù)中很多的特點(diǎn)。

　　ROS利用了很多現(xiàn)在已經(jīng)存在的開(kāi)源項(xiàng)目的代碼，比如說(shuō)從Player項(xiàng)目中借鑒了驅(qū)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)控制和仿真方面的代碼，從OpenCV中借鑒了視覺(jué)算法方面的代碼，從OpenRAVE借鑒了規(guī)劃算法的內(nèi)容，還有很多其他的項(xiàng)目。在每一個(gè)實(shí)例中，ROS都用來(lái)顯示多種多樣的配置選項(xiàng)以及和各軟件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，也同時(shí)對(duì)它們進(jìn)行微小的包裝和改動(dòng)。ROS可以不斷的從社區(qū)維護(hù)中進(jìn)行升級(jí)，包括從其他的軟件庫(kù)、應(yīng)用補(bǔ)丁中升級(jí)ROS的源代碼。

　　(4)工具包豐富

　　為了管理復(fù)雜的ROS軟件框架，我們利用了大量的小工具去編譯和運(yùn)行多種多樣的ROS組建，從而設(shè)計(jì)成了內(nèi)核，而不是構(gòu)建一個(gè)龐大的開(kāi)發(fā)和運(yùn)行環(huán)境。

　　這些工具擔(dān)任了各種各樣的任務(wù)，例如，組織源代碼的結(jié)構(gòu)，獲取和設(shè)置配置參數(shù)，形象化端對(duì)端的拓?fù)溥B接，測(cè)量頻帶使用寬度，生動(dòng)的描繪信息數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成文檔等等。盡管我們已經(jīng)測(cè)試通過(guò)像全局時(shí)鐘和控制器模塊的記錄器的核心服務(wù)，但是我們還是希望能把所有的代碼模塊化。我們相信在效率上的損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)是穩(wěn)定性和管理的復(fù)雜性上無(wú)法彌補(bǔ)的。

　　(5)免費(fèi)并且開(kāi)源

　　ROS所有的源代碼都是公開(kāi)發(fā)布的。我們相信這將必定促進(jìn)ROS軟件各層次的調(diào)試，不斷的改正錯(cuò)誤。雖然像MicrosoftRoboticsStudio和Webots這樣的非開(kāi)源軟件也有很多值得贊美的屬性，但是我們認(rèn)為一個(gè)開(kāi)源的平臺(tái)也是無(wú)可為替代的。當(dāng)硬件和各層次的軟件同時(shí)設(shè)計(jì)和調(diào)試的時(shí)候這一點(diǎn)是尤其真實(shí)的。

　　ROS以分布式的關(guān)系遵循這BSD許可，也就是說(shuō)允許各種商業(yè)和非商業(yè)的工程進(jìn)行開(kāi)發(fā)。ROS通過(guò)內(nèi)部處理的通訊系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞，不要求各模塊在同樣的可執(zhí)行功能上連接在一起。如此，利用ROS構(gòu)建的系統(tǒng)可以很好的使用他們豐富的組件：個(gè)別的模塊可以包含被各種協(xié)議保護(hù)的軟件，這些協(xié)議從GPL到BSD，但是許可的一些“污染物”將在模塊的分解上就完全消滅掉。