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| 本文作者： 金紅 | 2017-01-15 09:49 | 專(zhuān)題：雷峰網(wǎng)公開(kāi)課 |
ROS和Android一樣是開(kāi)源的，功能上也是相差無(wú)幾，它可以提供硬件抽象，底層設(shè)備控制，常用功能實(shí)現(xiàn)，進(jìn)程間消息以及數(shù)據(jù)包管理。其獨(dú)特之處在于，能夠支持多種語(yǔ)言，如C++、Python、Octave和LISP，甚至支持多種語(yǔ)言混合使用，這可以簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)者的工作。因?yàn)樗腔贚inux的系統(tǒng)，其可靠性也會(huì)更高，體積可以做到更小，適合嵌入式設(shè)備。
另外，ROS是一種分布式處理框架，開(kāi)發(fā)者可以單獨(dú)設(shè)計(jì)可執(zhí)行文件。不同節(jié)點(diǎn)的進(jìn)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(rèn)的機(jī)器人三大操作系統(tǒng)之一（另一個(gè)為Ubuntu），不過(guò)ROS的開(kāi)發(fā)門(mén)檻相對(duì)較高。Top博士自2009年第一次接觸到ROS后，便認(rèn)識(shí)到其在機(jī)器人開(kāi)發(fā)中的重要性，并不遺余力在國(guó)內(nèi)進(jìn)行推廣。然而隨著ROS近年來(lái)火熱，在教學(xué)中也發(fā)現(xiàn)很多新伙伴對(duì)ROS的認(rèn)識(shí)存在一些誤區(qū)，為了加快小伙伴們的學(xué)習(xí)速度，雷鋒網(wǎng)本期公開(kāi)課雷鋒網(wǎng)邀請(qǐng)Top和大家分享一點(diǎn)自己學(xué)習(xí)和使用的經(jīng)驗(yàn)和心得。
雷鋒網(wǎng)本期公開(kāi)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(xué)習(xí)思路。內(nèi)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(xué)習(xí)重點(diǎn)，及仿真環(huán)境、工具庫(kù)等需了解的內(nèi)容。介紹了具體的學(xué)習(xí)路徑及有用的資源鏈接。
嘉賓介紹：
Top Liu，易科機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室、（星火計(jì)劃）ROS公開(kāi)課聯(lián)合發(fā)起人，致力于機(jī)器人技術(shù)的探索與分享，撰寫(xiě)各類(lèi)技術(shù)文章近百篇，出版有《ROS機(jī)器人程序設(shè)計(jì)2》、《機(jī)器人編程實(shí)戰(zhàn)》、《嵌入式機(jī)器人學(xué)》、《機(jī)器人與未來(lái)》。
以下內(nèi)容整理自Top Liu在硬創(chuàng)公開(kāi)課的分享。
當(dāng)前大家學(xué)習(xí)ROS還是以自學(xué)為主，所以會(huì)走很多的彎路，目前所謂的大神們也都是這樣過(guò)來(lái)的?；旧显缙陂_(kāi)發(fā)機(jī)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(shè)計(jì)抄襲過(guò)去，這樣其實(shí)大家就是在重復(fù)地造輪子，進(jìn)行一些底層的無(wú)聊工作。
我最早接觸ROS是2009年在翻譯《嵌入式機(jī)器人學(xué)》這本書(shū)，作者托馬斯·布勞恩教授當(dāng)時(shí)開(kāi)發(fā)了一套R(shí)oBIOS的機(jī)器人操作系統(tǒng)，按照他的說(shuō)法，這是最早的機(jī)器人操作系統(tǒng)，而且是可以嵌入式應(yīng)用的。當(dāng)時(shí)和他溝通，他表示不會(huì)開(kāi)源，而且售價(jià)特別高，當(dāng)時(shí)在網(wǎng)上搜索，不經(jīng)意間看到了ROS，Box版本，很古老的版本。
什么是ROS？這是個(gè)老生常談的問(wèn)題，這里用官網(wǎng)的定義來(lái)解釋一下。ROS是一個(gè)適用于機(jī)器人的開(kāi)源的元操作系統(tǒng)。它不是一個(gè)真正的操作系統(tǒng)，但它提供了操作系統(tǒng)應(yīng)用的服務(wù)，包括硬件抽象，底層設(shè)備控制，常用函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)程間消息傳遞，以及包管理。它也提供用于獲取、 編譯、編寫(xiě)、和跨計(jì)算機(jī)運(yùn)行代碼所需的工具和庫(kù)函數(shù)。 它主要采用的是松耦合點(diǎn)對(duì)點(diǎn)進(jìn)程網(wǎng)絡(luò)，目前主要支持的還是Ubuntu系統(tǒng)，Mac OS X支持，Windows目前有測(cè)試版本，但支持的并不很好，不推薦。
首先，目前機(jī)器人開(kāi)發(fā)，軟件開(kāi)發(fā)的比重越來(lái)越大，而軟件開(kāi)發(fā)的時(shí)候軟件框架的選擇，是軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的決策，直接決定了軟件開(kāi)發(fā)的直接效率，以及后續(xù)功能的實(shí)現(xiàn)程度。
目前除了ROS，還有很多類(lèi)似的機(jī)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(jié)了下，ROS有四大優(yōu)點(diǎn)：1、松散耦合的機(jī)制方便機(jī)器人軟件框架的組織；2、最豐富的機(jī)器人功能庫(kù)，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(diào)試；4、學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)，方便學(xué)習(xí)和交流。 使用一句話總結(jié)，使用ROS，能夠方便迅速地搭建好機(jī)器人原型。當(dāng)然，它的性能不是最優(yōu)的，但是這四條優(yōu)點(diǎn)足以保障它在機(jī)器人操作系統(tǒng)里面的地位。
然后，ROS比較好的一點(diǎn)是使用了BSD許可證，這是一個(gè)非常寬松的開(kāi)放許可證，允許在商業(yè)和閉源產(chǎn)品使用，這對(duì)于開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的創(chuàng)業(yè)公司是比較重要的一點(diǎn)。
ROS是最龐大的使用者群體，是事實(shí)上的機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)，這是麻省理工在一篇文章中給出的評(píng)論。然后在2016年ROS大會(huì)數(shù)據(jù)顯示，目前在使用操作系統(tǒng)做開(kāi)發(fā)的人員用戶超過(guò)35萬(wàn)，其中活躍用戶美國(guó)占第一位，中國(guó)占第二位。
在學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域，基本上機(jī)器人算法都會(huì)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(jīng)被引用了2871次。
2016年官方支持ROS的機(jī)器人超過(guò)了100個(gè)。目前已經(jīng)有很多機(jī)器人公司采用了ROS系統(tǒng)來(lái)開(kāi)發(fā)一些應(yīng)用于全新市場(chǎng)的產(chǎn)品，如ClearPath、Rethink、Unbounded、Neurala、Blue River、Big-i，最典型的就是Willow Garage的PR2機(jī)器人。投資機(jī)構(gòu)也對(duì)創(chuàng)業(yè)公司給予了極大的支持，僅2015年相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)投資機(jī)構(gòu)就在基于ROS操作系統(tǒng)的機(jī)器人公司投資了超過(guò)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(dāng)前的代碼統(tǒng)計(jì)量，總行數(shù)已經(jīng)超過(guò)了1400萬(wàn)，超過(guò)2477名作者。代碼語(yǔ)言以C++為主，63.98%的代碼是用C++寫(xiě)的，排名第二的是python，占13.57% ，也就是說(shuō)ROS基本上都是使用這兩種語(yǔ)言，可以實(shí)現(xiàn)大部分的功能。
要想學(xué)ROS，應(yīng)該從哪里入手，它的先后順序是怎樣的呢？ROS由四大部分構(gòu)成，第一個(gè)是基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，這些通訊機(jī)制是如何實(shí)現(xiàn)的；第二個(gè)是工具，包括仿真工具、調(diào)試工具等；第三個(gè)是體現(xiàn)它功能的package；第四個(gè)就是社區(qū)，如何去上面下載、發(fā)布代碼，和其他開(kāi)發(fā)者交流學(xué)習(xí)。
入門(mén)的話，首先要了解這四點(diǎn)：設(shè)計(jì)思想，核心概念，核心模塊，核心工具。
設(shè)計(jì)思想主要是分布式架構(gòu)，將機(jī)器人的功能和軟件，做成一個(gè)個(gè)節(jié)點(diǎn)，然后每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)topic進(jìn)行溝通，但你這些節(jié)點(diǎn)可以部署在同一臺(tái)機(jī)器上，也可以部署在不同機(jī)器上，還可以部署在互聯(lián)網(wǎng)上。
ROS的核心概念主要是這幾個(gè)，首先是節(jié)點(diǎn)，然后是節(jié)點(diǎn)之間的通信和話題，通信的方式有兩種，一個(gè)是剛剛講的話題，一個(gè)是服務(wù)。那么，如何管理ROS的這些節(jié)點(diǎn)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(gè)參數(shù)的服務(wù)。而怎么組織代碼，就是通過(guò)功能包集與功能包。
節(jié)點(diǎn)是各自獨(dú)立的可執(zhí)行文件，能夠通過(guò)話題、服務(wù)或參數(shù)，與服務(wù)器或其他進(jìn)程(節(jié)點(diǎn))通信。ROS通過(guò)使用節(jié)點(diǎn)的方式將代碼和功能解耦，提高了系統(tǒng)容錯(cuò)能力和可維護(hù)性，使系統(tǒng)簡(jiǎn)化。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)允許了ROS系統(tǒng)能夠布置在任意多個(gè)機(jī)器上并同時(shí)運(yùn)行。關(guān)于節(jié)點(diǎn)需要注意的事項(xiàng)，節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)中必須有唯一的名稱(chēng)；節(jié)點(diǎn)可以使用不同的庫(kù)進(jìn)行編寫(xiě)，如roscpp和rospy，其中roscpp基于C++，rospy基于Python。
節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)topic機(jī)制進(jìn)行通信，topic機(jī)制是一個(gè)一對(duì)多的Publish/Subscribe 模式: 同一個(gè)話題也可以有很多個(gè)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(lèi)型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括ROS提供的標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)型，和用戶自定義類(lèi)型。
除了topic，ROS還提供另一種一對(duì)一的機(jī)制，也就是Service/Client，當(dāng)你需要直接與節(jié)點(diǎn)通信并獲得應(yīng)答時(shí)，將無(wú)法通過(guò)話題實(shí)現(xiàn)，這時(shí)需要使用該服務(wù)。
Master向ROS系統(tǒng)中其他節(jié)點(diǎn)提供命名和注冊(cè)服務(wù)，跟蹤和記錄話題的發(fā)布者和訂閱者，使ROS 節(jié)點(diǎn)之間能夠相互查找。一旦節(jié)點(diǎn)找到了彼此，就能建立一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(guān)于功能包、許可信息、依賴關(guān)系、編譯標(biāo)志等的信息。功能包清單是一個(gè)manifests.xml文件，通過(guò)這個(gè)文件能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)功能包的管理。
ROS核心模塊包括通信結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、機(jī)器人特性功能以及工具集，通信結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)包括消息傳遞、記錄和回放消息、遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用、分布式參數(shù)系統(tǒng)；機(jī)器人特性功能包括標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人消息，機(jī)器人幾何庫(kù)，機(jī)器人描述語(yǔ)言，搶占式遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用，診斷，位資估計(jì)、定位與導(dǎo)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(shuō)Package。我們比較常見(jiàn)的是右邊這五個(gè)工具，Gazebo是一個(gè)三維仿真環(huán)境，OpenCV是大家非常熟悉的計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)，PCL是點(diǎn)云庫(kù)，MoveIt！是機(jī)械臂的規(guī)劃控制庫(kù)，Industrial是工業(yè)上會(huì)用的庫(kù)。左邊有三維仿真環(huán)境，另外兩個(gè)其中值得一提的是MRPT，是一個(gè)非常好的機(jī)器人編程工具箱。然后，如果對(duì)實(shí)時(shí)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(xì)展開(kāi)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(qiáng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/回放功能，也就是使用bag存儲(chǔ)topic(例如現(xiàn)實(shí)中的傳感器數(shù)據(jù))，以后調(diào)用bag的topic數(shù)據(jù)則不必每次都在現(xiàn)實(shí)中運(yùn)行機(jī)器人，速度非?？臁?/p>
ROS log系統(tǒng)記錄軟件運(yùn)行相關(guān)信息，便于以后的調(diào)試。
怎么學(xué)
首先，我們?cè)趯W(xué)校學(xué)的是指導(dǎo)主義，也就是傳統(tǒng)的教學(xué)方式：老師講，學(xué)生聽(tīng)，今天我在這兒其實(shí)也屬于這種模式吧，而這種模式的缺點(diǎn)在于開(kāi)環(huán)或是閉環(huán)周期過(guò)長(zhǎng)。另一種是建造主義，通過(guò)動(dòng)手來(lái)學(xué)習(xí)，然后你可以得到實(shí)時(shí)反饋，你學(xué)到的知識(shí)就能形成一個(gè)閉環(huán)。當(dāng)然，你還是要摸索出一個(gè)套路，這樣上手才能比較快。
當(dāng)然，比較好的套路還是官網(wǎng)的那一套。首先按照官網(wǎng)的步驟安裝ROS，這個(gè)過(guò)程不要輕易問(wèn)問(wèn)題，因?yàn)榻坛汤镏v得已經(jīng)很明白了，大神們對(duì)這些問(wèn)題也會(huì)比較鄙視，通常會(huì)笑而不語(yǔ)。另外，建議初學(xué)者一定要認(rèn)真學(xué)完整20個(gè)初級(jí)教程！然后就此打??！那些中級(jí)教程就不要再看了，瀏覽下都有啥即可，以后遇到類(lèi)似問(wèn)題再回來(lái)看即可，這個(gè)時(shí)候你的重點(diǎn)就應(yīng)該回到機(jī)器人學(xué)及其實(shí)踐上了，那20個(gè)初級(jí)教程都是可以在電腦上編程學(xué)習(xí)的，但不涉及機(jī)器人學(xué)。
接下來(lái)就應(yīng)該運(yùn)行真實(shí)的機(jī)器人、解決真實(shí)的問(wèn)題。有的小伙伴就會(huì)問(wèn)，沒(méi)有真實(shí)的機(jī)器人怎么辦？當(dāng)然也有辦法，你可以在仿真環(huán)境里邊運(yùn)行。
仿真環(huán)境由易到難主要有這三個(gè)：Turtlesim、ArbotiX、Gazebo。Turtlesim是一個(gè)QT開(kāi)發(fā)的2D軌跡顯示界面，只能顯示運(yùn)動(dòng)軌跡；ArbotiX是含有一個(gè)差速驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的rviz模擬器，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)及topic數(shù)據(jù)的3D顯示，但不包含物理學(xué)引擎；Gazebo是功能齊全的3D物理模擬器，不過(guò)缺點(diǎn)是非常重，對(duì)內(nèi)存和顯卡要求高，慎入！
很多小伙伴會(huì)問(wèn)，ROS版本那么多，該用哪一個(gè)? 目前，ROS是一年推出一個(gè)版本。通過(guò)下載統(tǒng)計(jì)，我們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在使用最多的還是Indigo，所以對(duì)于初學(xué)者，建議還是使用這個(gè)版本，因?yàn)檫@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(qiáng)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(shí)，要與ROS版本需匹配。
命令行不熟悉怎么辦? 有IDE
現(xiàn)在已經(jīng)有很多IDE了，值得一提的是這個(gè)RoboWare Studio是我們中國(guó)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的一個(gè)開(kāi)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(huì)推出32位版本，包括Arm集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的，而且承諾是免費(fèi)的，以后也會(huì)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候開(kāi)源。
不熟悉Linux怎么辦?
其實(shí)學(xué)習(xí)ROS并不難，而很多小伙伴遇到的問(wèn)題在于對(duì)于Linux不熟悉。這個(gè)只能邊用邊學(xué)了，遇到問(wèn)題也要善用搜索，基本上這些問(wèn)題都能在搜索中找到答案。教程推薦這兩個(gè)版本，一個(gè)是英文版本，一個(gè)中文版本。書(shū)的話，推薦《鳥(niǎo)哥的Linux私房菜》吧！
ROS和ROS2.0該學(xué)習(xí)哪個(gè)呢?
對(duì)于大眾學(xué)習(xí)者、普通開(kāi)發(fā)者、機(jī)器人算法開(kāi)發(fā)者，在2017年仍推薦使用ROS。對(duì)于軟件架構(gòu)的學(xué)習(xí)者、強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性的開(kāi)發(fā)者，建議關(guān)注ROS2.0 。另外，我在知乎上對(duì)于這個(gè)問(wèn)題也有詳細(xì)的回答，有興趣的可以去看看。
Q&A 環(huán)節(jié)
Q：請(qǐng)問(wèn)除了ROS還有其他哪些常用的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)？
A：關(guān)于機(jī)器人目前操作系統(tǒng)哪家強(qiáng)這個(gè)問(wèn)題，目前已經(jīng)形成了各個(gè)陣營(yíng)，我們最近會(huì)組織一場(chǎng)辯論。主要是現(xiàn)在服務(wù)機(jī)器人用安卓的比較多。實(shí)時(shí)系統(tǒng)的話，我建議不要用ROS，因?yàn)镽OS設(shè)計(jì)對(duì)象是家用移動(dòng)智能機(jī)器人，當(dāng)初的設(shè)計(jì)就不是針對(duì)實(shí)時(shí)控制的，不過(guò)ROS 2.0已經(jīng)加入了實(shí)時(shí)性這個(gè)特性，大家可以關(guān)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(gè)特性就是對(duì)于硬件的抽象，如果你用ROS的話，你不用過(guò)多關(guān)注底層硬件的東西，因?yàn)榇蠹叶际前凑諛?biāo)準(zhǔn)來(lái)做好封裝，你直接調(diào)用就OK，你主要的精力還是放在機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和算法的開(kāi)發(fā)上。
Q：您覺(jué)得ROS在目前火熱的自動(dòng)駕駛領(lǐng)域應(yīng)用前景如何？
A：據(jù)我所知，自動(dòng)駕駛領(lǐng)域一些大企業(yè)也是用ROS開(kāi)發(fā)的，它的最終產(chǎn)品不一定是基于ROS，但是研發(fā)階段我相信是會(huì)用到的，據(jù)所了解確實(shí)有一些是在用的。
Q：ROS未來(lái)能不能發(fā)展成完全替代Linux和Window？
A：ROS不會(huì)替代Linux和Window，它根本就是兩回事兒。Linux和Window是一個(gè)基本的操作系統(tǒng)，ROS是完全針對(duì)機(jī)器人的上層架構(gòu)，它可以依賴于Linux和Window，當(dāng)然2.0開(kāi)始，也開(kāi)始獨(dú)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(zhǎng)的領(lǐng)域。
Q：像美國(guó)剛剛搞的蜂群無(wú)人機(jī)，在ROS上是否能實(shí)現(xiàn)？
A：目前用ROS開(kāi)發(fā)不是很好實(shí)現(xiàn)，如果用ROS 2.0，應(yīng)該是可以的。因?yàn)镽OS它用在分布式系統(tǒng)上，一個(gè)比較大的問(wèn)題是需要一個(gè)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(diǎn)別扭。而ROS 2.0是沒(méi)有中心節(jié)點(diǎn)的，是沒(méi)有Master的，完全分布式架構(gòu)，那應(yīng)該適用于多機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景。
編者按：關(guān)注雷鋒網(wǎng)機(jī)器人垂直欄目微信公眾號(hào)「新智造」，可獲取嘉賓完整PPT。
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