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ROS和Android一樣是開源的，功能上也是相差無幾，它可以提供硬件抽象，底層設備控制，常用功能實現(xiàn)，進程間消息以及數(shù)據(jù)包管理。其獨特之處在于，能夠支持多種語言，如C++、Python、Octave和LISP，甚至支持多種語言混合使用，這可以簡化開發(fā)者的工作。因為它是基于Linux的系統(tǒng)，其可靠性也會更高，體積可以做到更小，適合嵌入式設備。
另外，ROS是一種分布式處理框架，開發(fā)者可以單獨設計可執(zhí)行文件。不同節(jié)點的進程能接收、發(fā)布各種信息(例如傳感，控制，狀態(tài)，規(guī)劃等等)。
與Android一樣，ROS也是業(yè)界公認的機器人三大操作系統(tǒng)之一（另一個為Ubuntu），不過ROS的開發(fā)門檻相對較高。Top博士自2009年第一次接觸到ROS后，便認識到其在機器人開發(fā)中的重要性，并不遺余力在國內進行推廣。然而隨著ROS近年來火熱，在教學中也發(fā)現(xiàn)很多新伙伴對ROS的認識存在一些誤區(qū)，為了加快小伙伴們的學習速度，雷鋒網本期公開課雷鋒網邀請Top和大家分享一點自己學習和使用的經驗和心得。
雷鋒網本期公開課面向想入手ROS卻又不知從何下手的小伙伴，為大家梳理好學習思路。內容包括但不限于ROS全球使用現(xiàn)狀、核心概念、工作原理等學習重點，及仿真環(huán)境、工具庫等需了解的內容。介紹了具體的學習路徑及有用的資源鏈接。
嘉賓介紹：
Top Liu，易科機器人實驗室、（星火計劃）ROS公開課聯(lián)合發(fā)起人，致力于機器人技術的探索與分享，撰寫各類技術文章近百篇，出版有《ROS機器人程序設計2》、《機器人編程實戰(zhàn)》、《嵌入式機器人學》、《機器人與未來》。
以下內容整理自Top Liu在硬創(chuàng)公開課的分享。
當前大家學習ROS還是以自學為主，所以會走很多的彎路，目前所謂的大神們也都是這樣過來的?；旧显缙陂_發(fā)機器人大家都是各干各的，甚至是防著彼此，生怕別人把我們的代碼、設計抄襲過去，這樣其實大家就是在重復地造輪子，進行一些底層的無聊工作。
我最早接觸ROS是2009年在翻譯《嵌入式機器人學》這本書，作者托馬斯·布勞恩教授當時開發(fā)了一套RoBIOS的機器人操作系統(tǒng)，按照他的說法，這是最早的機器人操作系統(tǒng)，而且是可以嵌入式應用的。當時和他溝通，他表示不會開源，而且售價特別高，當時在網上搜索，不經意間看到了ROS，Box版本，很古老的版本。
什么是ROS？這是個老生常談的問題，這里用官網的定義來解釋一下。ROS是一個適用于機器人的開源的元操作系統(tǒng)。它不是一個真正的操作系統(tǒng)，但它提供了操作系統(tǒng)應用的服務，包括硬件抽象，底層設備控制，常用函數(shù)的實現(xiàn)，進程間消息傳遞，以及包管理。它也提供用于獲取、 編譯、編寫、和跨計算機運行代碼所需的工具和庫函數(shù)。 它主要采用的是松耦合點對點進程網絡，目前主要支持的還是Ubuntu系統(tǒng)，Mac OS X支持，Windows目前有測試版本，但支持的并不很好，不推薦。
首先，目前機器人開發(fā)，軟件開發(fā)的比重越來越大，而軟件開發(fā)的時候軟件框架的選擇，是軟件架構設計中一個重要的決策，直接決定了軟件開發(fā)的直接效率，以及后續(xù)功能的實現(xiàn)程度。
目前除了ROS，還有很多類似的機器人軟件框架，包括Player、YARP、Orocos、CARMEN、Orca、MOOS，以及Microsoft Robotics Studio。
為什么使用ROS呢？我總結了下，ROS有四大優(yōu)點：1、松散耦合的機制方便機器人軟件框架的組織；2、最豐富的機器人功能庫，方便快速搭建原型；3、非常便利的數(shù)據(jù)記錄、分析、仿真工具，方便調試；4、學界和產業(yè)界的標準，方便學習和交流。 使用一句話總結，使用ROS，能夠方便迅速地搭建好機器人原型。當然，它的性能不是最優(yōu)的，但是這四條優(yōu)點足以保障它在機器人操作系統(tǒng)里面的地位。
然后，ROS比較好的一點是使用了BSD許可證，這是一個非常寬松的開放許可證，允許在商業(yè)和閉源產品使用，這對于開發(fā)產品的創(chuàng)業(yè)公司是比較重要的一點。
ROS是最龐大的使用者群體，是事實上的機器人標準，這是麻省理工在一篇文章中給出的評論。然后在2016年ROS大會數(shù)據(jù)顯示，目前在使用操作系統(tǒng)做開發(fā)的人員用戶超過35萬，其中活躍用戶美國占第一位，中國占第二位。
在學術研究領域，基本上機器人算法都會給出ROS版本的源程序。最早在2009年ROS發(fā)布的“ROS: an open source Robot Operating System” 論文，目前已經被引用了2871次。
2016年官方支持ROS的機器人超過了100個。目前已經有很多機器人公司采用了ROS系統(tǒng)來開發(fā)一些應用于全新市場的產品，如ClearPath、Rethink、Unbounded、Neurala、Blue River、Big-i，最典型的就是Willow Garage的PR2機器人。投資機構也對創(chuàng)業(yè)公司給予了極大的支持，僅2015年相關風險投資機構就在基于ROS操作系統(tǒng)的機器人公司投資了超過1.5億美元。Nvidia、博世、高通、英特爾、寶馬以及大 疆等大公司也紛紛推出ROS接口。
這是ROS當前的代碼統(tǒng)計量，總行數(shù)已經超過了1400萬，超過2477名作者。代碼語言以C++為主，63.98%的代碼是用C++寫的，排名第二的是python，占13.57% ，也就是說ROS基本上都是使用這兩種語言，可以實現(xiàn)大部分的功能。
要想學ROS，應該從哪里入手，它的先后順序是怎樣的呢？ROS由四大部分構成，第一個是基礎結構，這些通訊機制是如何實現(xiàn)的；第二個是工具，包括仿真工具、調試工具等；第三個是體現(xiàn)它功能的package；第四個就是社區(qū)，如何去上面下載、發(fā)布代碼，和其他開發(fā)者交流學習。
入門的話，首先要了解這四點：設計思想，核心概念，核心模塊，核心工具。
設計思想主要是分布式架構，將機器人的功能和軟件，做成一個個節(jié)點，然后每個節(jié)點通過topic進行溝通，但你這些節(jié)點可以部署在同一臺機器上，也可以部署在不同機器上，還可以部署在互聯(lián)網上。
ROS的核心概念主要是這幾個，首先是節(jié)點，然后是節(jié)點之間的通信和話題，通信的方式有兩種，一個是剛剛講的話題，一個是服務。那么，如何管理ROS的這些節(jié)點和話題之間的溝通呢？這就需要用到Master，也就是ROS管理器，它還維持了一個參數(shù)的服務。而怎么組織代碼，就是通過功能包集與功能包。
節(jié)點是各自獨立的可執(zhí)行文件，能夠通過話題、服務或參數(shù)，與服務器或其他進程(節(jié)點)通信。ROS通過使用節(jié)點的方式將代碼和功能解耦，提高了系統(tǒng)容錯能力和可維護性，使系統(tǒng)簡化。同時，節(jié)點允許了ROS系統(tǒng)能夠布置在任意多個機器上并同時運行。關于節(jié)點需要注意的事項，節(jié)點在系統(tǒng)中必須有唯一的名稱；節(jié)點可以使用不同的庫進行編寫，如roscpp和rospy，其中roscpp基于C++，rospy基于Python。
節(jié)點之間通過topic機制進行通信，topic機制是一個一對多的Publish/Subscribe 模式: 同一個話題也可以有很多個訂閱者，它的底層傳輸依靠的是TCP/IP，也可以是UDP。topic具體傳輸?shù)膍essage，具有一定的類型和數(shù)據(jù)結構，包括ROS提供的標準類型，和用戶自定義類型。
除了topic，ROS還提供另一種一對一的機制，也就是Service/Client，當你需要直接與節(jié)點通信并獲得應答時，將無法通過話題實現(xiàn)，這時需要使用該服務。
Master向ROS系統(tǒng)中其他節(jié)點提供命名和注冊服務，跟蹤和記錄話題的發(fā)布者和訂閱者，使ROS 節(jié)點之間能夠相互查找。一旦節(jié)點找到了彼此，就能建立一種點對點的通信方式。
那么如何組織代碼呢？這主要依靠功能包(Package) ，ROS中軟件組織的基本形式，用于創(chuàng)建ROS程序。功能包包含源代碼和功能包清單(Manifest) 。功能包清單提供關于功能包、許可信息、依賴關系、編譯標志等的信息。功能包清單是一個manifests.xml文件，通過這個文件能夠實現(xiàn)對功能包的管理。
ROS核心模塊包括通信結構基礎、機器人特性功能以及工具集，通信結構基礎包括消息傳遞、記錄和回放消息、遠程過程調用、分布式參數(shù)系統(tǒng)；機器人特性功能包括標準機器人消息，機器人幾何庫，機器人描述語言，搶占式遠程過程調用，診斷，位資估計、定位與導航；工具集包括命令式工具、可視化工具以及圖形化接口。
ROS擁有很多第三方的核心工具的支持，或者說Package。我們比較常見的是右邊這五個工具，Gazebo是一個三維仿真環(huán)境，OpenCV是大家非常熟悉的計算機視覺庫，PCL是點云庫，MoveIt！是機械臂的規(guī)劃控制庫，Industrial是工業(yè)上會用的庫。左邊有三維仿真環(huán)境，另外兩個其中值得一提的是MRPT，是一個非常好的機器人編程工具箱。然后，如果對實時控制要求比較高的話，可以考慮最下邊的The Orocos Project。
ROS常用命令工具包括rostopic (Topics)、rosservice (Services)、rosnode (Nodes)、rosparam (Parameters)、rosmsg (Messages)、rossrv (Services)和roswtf (General debugging) ，在這里就不詳細展開了。
ROS用的最多的可視化工具是rqt（集成圖像交互界面）和 rviz（3D 可視化工具）。
ROS具有非常強的數(shù)據(jù)存儲/回放功能，也就是使用bag存儲topic(例如現(xiàn)實中的傳感器數(shù)據(jù))，以后調用bag的topic數(shù)據(jù)則不必每次都在現(xiàn)實中運行機器人，速度非?？?。
ROS log系統(tǒng)記錄軟件運行相關信息，便于以后的調試。
怎么學
首先，我們在學校學的是指導主義，也就是傳統(tǒng)的教學方式：老師講，學生聽，今天我在這兒其實也屬于這種模式吧，而這種模式的缺點在于開環(huán)或是閉環(huán)周期過長。另一種是建造主義，通過動手來學習，然后你可以得到實時反饋，你學到的知識就能形成一個閉環(huán)。當然，你還是要摸索出一個套路，這樣上手才能比較快。
當然，比較好的套路還是官網的那一套。首先按照官網的步驟安裝ROS，這個過程不要輕易問問題，因為教程里講得已經很明白了，大神們對這些問題也會比較鄙視，通常會笑而不語。另外，建議初學者一定要認真學完整20個初級教程！然后就此打住！那些中級教程就不要再看了，瀏覽下都有啥即可，以后遇到類似問題再回來看即可，這個時候你的重點就應該回到機器人學及其實踐上了，那20個初級教程都是可以在電腦上編程學習的，但不涉及機器人學。
接下來就應該運行真實的機器人、解決真實的問題。有的小伙伴就會問，沒有真實的機器人怎么辦？當然也有辦法，你可以在仿真環(huán)境里邊運行。
仿真環(huán)境由易到難主要有這三個：Turtlesim、ArbotiX、Gazebo。Turtlesim是一個QT開發(fā)的2D軌跡顯示界面，只能顯示運動軌跡；ArbotiX是含有一個差速驅動機器人的rviz模擬器，機器人運動及topic數(shù)據(jù)的3D顯示，但不包含物理學引擎；Gazebo是功能齊全的3D物理模擬器，不過缺點是非常重，對內存和顯卡要求高，慎入！
很多小伙伴會問，ROS版本那么多，該用哪一個? 目前，ROS是一年推出一個版本。通過下載統(tǒng)計，我們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在使用最多的還是Indigo，所以對于初學者，建議還是使用這個版本，因為這是目前使用人數(shù)最多、坑最少的版本。而如果Linux編程能力比較強的，可以使用Kinetic，它可以一直支持到2021年。然后，你在選擇Ubuntu版本時，要與ROS版本需匹配。
命令行不熟悉怎么辦? 有IDE
現(xiàn)在已經有很多IDE了，值得一提的是這個RoboWare Studio是我們中國團隊開發(fā)的一個開源IDE，目前剛剛推出64位版本。最近我也和RoboWare Studio的王博士交流了一下，他表示之后會推出32位版本，包括Arm集成開發(fā)環(huán)境的，而且承諾是免費的，以后也會在適當?shù)臅r候開源。
不熟悉Linux怎么辦?
其實學習ROS并不難，而很多小伙伴遇到的問題在于對于Linux不熟悉。這個只能邊用邊學了，遇到問題也要善用搜索，基本上這些問題都能在搜索中找到答案。教程推薦這兩個版本，一個是英文版本，一個中文版本。書的話，推薦《鳥哥的Linux私房菜》吧！
ROS和ROS2.0該學習哪個呢?
對于大眾學習者、普通開發(fā)者、機器人算法開發(fā)者，在2017年仍推薦使用ROS。對于軟件架構的學習者、強調實時性的開發(fā)者，建議關注ROS2.0 。另外，我在知乎上對于這個問題也有詳細的回答，有興趣的可以去看看。
Q&A 環(huán)節(jié)
Q：請問除了ROS還有其他哪些常用的實時嵌入式操作系統(tǒng)？
A：關于機器人目前操作系統(tǒng)哪家強這個問題，目前已經形成了各個陣營，我們最近會組織一場辯論。主要是現(xiàn)在服務機器人用安卓的比較多。實時系統(tǒng)的話，我建議不要用ROS，因為ROS設計對象是家用移動智能機器人，當初的設計就不是針對實時控制的，不過ROS 2.0已經加入了實時性這個特性，大家可以關注一下。
Q：硬件方面有什么要求呢？
A：剛才講了ROS它具備操作系統(tǒng)的特性，其中一個特性就是對于硬件的抽象，如果你用ROS的話，你不用過多關注底層硬件的東西，因為大家都是按照標準來做好封裝，你直接調用就OK，你主要的精力還是放在機器人系統(tǒng)的設計和算法的開發(fā)上。
Q：您覺得ROS在目前火熱的自動駕駛領域應用前景如何？
A：據(jù)我所知，自動駕駛領域一些大企業(yè)也是用ROS開發(fā)的，它的最終產品不一定是基于ROS，但是研發(fā)階段我相信是會用到的，據(jù)所了解確實有一些是在用的。
Q：ROS未來能不能發(fā)展成完全替代Linux和Window？
A：ROS不會替代Linux和Window，它根本就是兩回事兒。Linux和Window是一個基本的操作系統(tǒng)，ROS是完全針對機器人的上層架構，它可以依賴于Linux和Window，當然2.0開始，也開始獨立地去工作。所以，你要搞清楚，哪些是ROS可以做，哪些是它不擅長的領域。
Q：像美國剛剛搞的蜂群無人機，在ROS上是否能實現(xiàn)？
A：目前用ROS開發(fā)不是很好實現(xiàn)，如果用ROS 2.0，應該是可以的。因為ROS它用在分布式系統(tǒng)上，一個比較大的問題是需要一個Master，分布式系統(tǒng)是不需要Master的，所以如果你非要用ROS的話，就有點別扭。而ROS 2.0是沒有中心節(jié)點的，是沒有Master的，完全分布式架構，那應該適用于多機器人的應用場景。
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