機(jī)器人越來越火，我們來談?wù)勊哪切癛OS龜”們

本文作者：人機(jī)與認(rèn)知實(shí)驗(yàn)室

2016-05-31 10:44

導(dǎo)語：來看看機(jī)器人的那些“ROS龜”們！

今年8月，雷鋒網(wǎng)將在深圳舉辦一場盛況空前有全球影響力的人工智能與機(jī)器人創(chuàng)新大會。屆時(shí)雷鋒網(wǎng)將發(fā)布“人工智能&機(jī)器人Top25創(chuàng)新企業(yè)榜”榜單。目前，我們正在拜訪人工智能、機(jī)器人領(lǐng)域的相關(guān)公司，從中篩選最終入選榜單的公司名單。如果你也想加入我們的榜單之中，請聯(lián)系：2020@leiphone.com。

雷鋒網(wǎng)按：本文作者張玉坤/劉偉，來自北郵人機(jī)與認(rèn)知實(shí)驗(yàn)室（公號：人機(jī)與認(rèn)知實(shí)驗(yàn)室）。

ROS為Robot Operating System（機(jī)器人操作系統(tǒng)）的簡寫，是一個面向機(jī)器人的開源元操作系統(tǒng)（open-source，meta-operating system）。它能夠提供類似傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的諸多功能，如硬件抽象、底層設(shè)備控制、進(jìn)程間消息傳遞和程序包管理等。此外，它還提供相關(guān)工具和庫，用于獲取、編譯、編輯代碼以及在多個計(jì)算機(jī)之間運(yùn)行程序完成分布式計(jì)算。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。

機(jī)器人越來越火，我們來談?wù)勊哪切癛OS龜”們

｜歷史

ROS起源于2007年前后斯坦福大學(xué)人工智能實(shí)驗(yàn)室的STAIR（Stanford Artificial Intelligence Robot）項(xiàng)目與Willow Garage公司的個人機(jī)器人項(xiàng)目（Personal Robotics project）之間的合作。在2009年初推出了ROS0.4，現(xiàn)在所用系統(tǒng)的框架在這個版本中已初具雛形。經(jīng)過近一年的測試后，于2010年初推出了ROS1.0版,并在當(dāng)年三月份推出了正式發(fā)行版本：ROS Box Turtle，到現(xiàn)在（2016年5月）已經(jīng)發(fā)行了10個版本，最新版本是ROS Kinetic Kame。比較有趣的是，ROS各版本均以龜作為發(fā)行代號，至今已設(shè)計(jì)出10種造型奇特的“ROS龜”。

機(jī)器人越來越火，我們來談?wù)勊哪切癛OS龜”們

從2008年至2013年，ROS主要由Willow Garage公司管理維護(hù)，但這并不意味著ROS是封閉的系統(tǒng)，相反，它是由眾多學(xué)校及科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合開發(fā)及維護(hù)的，這種聯(lián)合開發(fā)模式也為ROS系統(tǒng)生態(tài)的構(gòu)建與壯大帶來有力的促進(jìn)。

2013年，Willow Garage公司被Suitable Technologies公司收購，此前幾個月，ROS的開發(fā)和維護(hù)管理工作被移交給了新成立的開源基金會 Open Source Robotics Foundation。

｜ROS系統(tǒng)有什么特點(diǎn)？

ROS的主要目標(biāo)是為機(jī)器人研究和開發(fā)提供代碼復(fù)用的支持。ROS是一個分布式的進(jìn)程（即“節(jié)點(diǎn)”）框架，這些進(jìn)程被封裝在易于被分享和發(fā)布的程序包和功能包中。ROS也支持一種類似于代碼儲存庫的聯(lián)合系統(tǒng)，這個系統(tǒng)也可以實(shí)現(xiàn)工程的協(xié)作及發(fā)布?？梢允挂粋€工程的開發(fā)和實(shí)現(xiàn)從文件系統(tǒng)到用戶接口完全獨(dú)立決策（不受ROS限制）。同時(shí)，所有的工程都可以被ROS的基礎(chǔ)工具整合在一起。

ROS在某些程度上和其他常見的機(jī)器人架構(gòu)有些相似之處，如：Player、Orocos、CARMEN、Orca和Microsoft Robotics Studio。對于簡單的無機(jī)械手的移動平臺來說，Player是非常不錯的選擇。ROS則不同，它被設(shè)計(jì)為適用于有機(jī)械臂和運(yùn)動傳感器的移動平臺（傾角激光、云臺、機(jī)械臂傳感器）。與Player相比，ROS更有利于分布式計(jì)算環(huán)境。當(dāng)然，Player 提供了較多的硬件驅(qū)動程序，ROS則在高層架構(gòu)上提供了更多的算法應(yīng)用（如集成OpenCV的視覺算法）。

ROS的主要特點(diǎn)可以歸納為以下幾條：

（1）點(diǎn)對點(diǎn)設(shè)計(jì)

機(jī)器人越來越火，我們來談?wù)勊哪切癛OS龜”們

ROS通過點(diǎn)對點(diǎn)設(shè)計(jì)以及服務(wù)和節(jié)點(diǎn)管理器等機(jī)制可以分散由于計(jì)算機(jī)視覺和語音識別等功能帶來的實(shí)時(shí)計(jì)算壓力，這種設(shè)計(jì)能適應(yīng)服務(wù)機(jī)器人遇到的調(diào)戰(zhàn)。

（2）不依賴編程語言

ROS支持多種現(xiàn)代高級編程語言，C++、Python和Lisp語言已經(jīng)在ROS中實(shí)現(xiàn)編譯，并得到應(yīng)用，Octave和Java的測試庫也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。為了支持多語言編程，ROS采用了一種語言中立的接口定義語言（language-neutral interface definition language,IDL )來實(shí)現(xiàn)各模塊之間的消息傳送。機(jī)器人越來越火，我們來談?wù)勊哪切癛OS龜”們

（3）精簡與集成

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)精簡的理念。ROS基本將復(fù)雜的代碼封裝在庫里，只是創(chuàng)建了一些小的應(yīng)用程序?yàn)镽OS顯示庫的功能，這就允許了對簡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，單元測試當(dāng)代碼在庫中分散后也變得非常的容易，一個單獨(dú)的測試程序可以測試庫中很多的特點(diǎn)。

ROS不修改用戶的主函數(shù)，所以代碼可以被其他的機(jī)器人軟件使用。其優(yōu)點(diǎn)是ROS很容易和其他的機(jī)器人軟件平臺集成。例如，在計(jì)算機(jī)視覺方面，ROS已經(jīng)與OpenCV實(shí)現(xiàn)集成。在驅(qū)動、導(dǎo)航和模擬器方面，ROS已經(jīng)與Player系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集成。在規(guī)劃算法方面，ROS也已與OpenAVE系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集成。

（4）便于測試

為機(jī)器人開發(fā)軟件比其他軟件開發(fā)更具挑戰(zhàn)性，主要是因?yàn)檎{(diào)試準(zhǔn)備時(shí)間長，且調(diào)試過程復(fù)雜。況且，因?yàn)橛布S修、經(jīng)費(fèi)有限等因素，不一定隨時(shí)有機(jī)器人可供使用。ROS提供兩種策略來解決上述問題。

1.精心設(shè)計(jì)的ROS系統(tǒng)框架將底層硬件控制模塊和頂層數(shù)據(jù)處理與決策模塊分離，從而可以使用模擬器替代底層硬件模塊，獨(dú)立測試頂層部分，提高測試效率。

2.ROS另外提供了一種簡單的方法可以在調(diào)試過程中記錄傳感器數(shù)據(jù)及其他類型的消息數(shù)據(jù)，并在試驗(yàn)后按時(shí)間戳回放。通過這種方式，每次運(yùn)行機(jī)器人可以獲得更多的測試機(jī)會。例如，可以記錄傳感器的數(shù)據(jù)，并通過多次回放測試不同的數(shù)據(jù)處理算法

（5）開源

機(jī)器人越來越火，我們來談?wù)勊哪切癛OS龜”們

ROS遵從BSD協(xié)議，這給了使用者很大的自由，使開發(fā)者可以清楚的查看、自由的使用源代碼，如果有需要，可以根據(jù)不同的系統(tǒng)及硬件環(huán)境對源代碼進(jìn)行修改，或者進(jìn)行二次開發(fā)。

（6）強(qiáng)大的庫及社區(qū)：

ROS提供了廣泛的庫文件實(shí)現(xiàn)以機(jī)動性、操作控制、感知為主的機(jī)器人功能。同時(shí)由于其開源特性，ROS的支持與發(fā)展依托著一個強(qiáng)大的社區(qū)。其官方網(wǎng)站尤其關(guān)注兼容性和支持文檔，提供了一套“一站式”的方案使得用戶得以搜索并學(xué)習(xí)來自全球開發(fā)者數(shù)以千計(jì)的ROS程序包。

｜小結(jié)

隨著技術(shù)的發(fā)展及人們需求的提高，機(jī)器人集成了越來越多的功能、傳感器，對用戶來說這越來越方便，但對開發(fā)者來說恰恰相反，功能的增加帶來開發(fā)與集成難度迅速上升，機(jī)器人操作系統(tǒng)的出現(xiàn)有效緩解了這種問題。

從計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)的發(fā)展過程來看，合適與成熟的操作系統(tǒng)是智能機(jī)器人行業(yè)大規(guī)模發(fā)展和在人們的生活中普及的必要條件?？梢灶A(yù)見，未來幾年將會出現(xiàn)眾多機(jī)器人操作系統(tǒng)，在經(jīng)過充分的發(fā)展競爭后將會有為數(shù)不多的幾個操作系統(tǒng)會發(fā)展壯大并占據(jù)絕大部分市場，就像曾經(jīng)的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)和現(xiàn)在的手機(jī)操作系統(tǒng)。

機(jī)器人越來越火，我們來談?wù)勊哪切癛OS龜”們