01 ROS簡介

可能很多初學者聽到機器人操作系統，就被“操作系統”幾個字嚇住了。其實簡單點說，ROS就是一個分布式的通信框架，幫助程序進程之間更方便地通信。

一個機器人通常包含多個部件，每個部件都有配套的控制程序，以實現機器人的運動與視聽功能等。那么要協調一個機器人中的這些部件，或者協調由多個機器人組成的機器人集群，怎么辦呢？這時就需要讓分散的部件能夠互相通信，在多機器人集群中，這些分散的部件還分散在不同的機器人上。解決這種分布式通信問題正是ROS的設計初衷。

隨著越來越多的人參與ROS開發及源碼貢獻，社區涌現出大量的第三方工具和實用開源軟件包，使ROS變成現在的樣子。

一個經常讓初學者困惑的地方是，學會了ROS就是學會機器人開發了嗎？當然不是，嚴格意義上講ROS只是一套通信框架而已，機器人中的各種算法和應用程序依然是用C++、Python等常見編程語言進行開發的。

1. ROS的性能特色

在正式學習ROS之前，先介紹ROS的幾個特性，即元操作系統、分布式通信機制、松耦合軟件框架、豐富的開源功能庫等，來幫大家建立一些感性的認識。

ROS是一個機器人領域的元操作系統。也就是說，它并不是真正意義上的操作系統，其底層的任務調度、編譯、設備驅動等還是由它的原生操作系統Ubuntu Linux完成。

ROS實際上是運行在Ubuntu Linux上的亞操作系統，或者說軟件框架，但提供硬件抽象、函數調用、進程管理這些類似操作系統的功能，也提供用于獲取、編譯、跨平臺的函數和工具。

ROS的核心思想就是將機器人的軟件功能做成一個個節點，節點之間通過互相發送消息進行溝通。這些節點可以部署在同一臺主機上，也可以部署在不同主機上，甚至還可以部署在互聯網上。ROS網絡通信機制中的主節點（master）負責對網絡中各個節點之間的通信過程進行管理調度，同時提供一個用于配置網絡中全局參數的服務。

ROS是松耦合軟件框架，利用分布式通信機制實現節點間的進程通信。ROS的軟件代碼以松耦合方式組織，開發過程靈活，管理維護方便。

ROS具有豐富的開源功能庫。ROS是基于BSD（Berkeley Software Distribution，伯克利軟件發行）協議的開源軟件，允許任何人修改、重用、重發布以及在商業和閉源產品中使用，使用ROS能夠快捷地搭建自己的機器人原型。

2. ROS的發行版本

與Linux發行版類似，ROS發行版內置了一系列常用功能包，即將ROS系統打包安裝到原生系統中。ROS最初是基于Ubuntu系統開發的，ROS的發行版本名稱也和Ubuntu采用了同樣的規則，即版本名稱由兩個相同首字母的英文單詞組成，版本首字母按字母表遞增順序選取，圖1-1展示了ROS的一些主要版本。

▲圖1-1 ROS的主要版本

3. ROS的學習方法

要想學好以及用好ROS，需要進行大量的實踐操作。因此在快速了解ROS的核心概念和編程范式后，就要結合大量的實際項目來深入理解ROS。學會用正確的方式解決問題，能幫你更快地提高能力。ROS的學習資源主要有以下幾個。

• 官網：www.ros.org
• 源碼：github.com
• Wiki：wiki.ros.org
• 問答：answers.ros.org

02 ROS系統架構

安裝完ROS后，很多朋友應該迫不及待想立馬開始寫程序。由于ROS的架構比較復雜，為了后面容易理解遇到的各種概念，這里先討論一下ROS的系統架構，好讓大家對ROS中的各種概念有全面性把控。按照官方的說法，可以分別從計算圖、文件系統和開源社區視角來理解ROS架構。

1. 從計算圖視角理解ROS架構

ROS中可執行程序的基本單位叫節點（node），節點之間通過消息機制進行通信，這樣就組成了一張網狀圖，也叫計算圖，如圖1-3所示。

▲圖1-3 ROS的計算圖結構

節點是可執行程序，通常也叫進程。ROS功能包中創建的每個可執行程序在被啟動加載到系統進程中后，就是一個ROS節點，如圖1-3中的節點1、節點2、節點3等。

節點之間通過收發消息進行通信，消息收發機制分為話題（topic）、服務（service）和動作（action）三種，如圖1-3中的節點2與節點3、節點2與節點5采用話題通信，節點2與節點4采用服務通信，節點1與節點2采用動作通信。計算圖中的節點、話題、服務、動作都要有唯一名稱作為標識。

ROS利用節點將代碼和功能解耦，提高了系統的容錯性和可維護性。所以最好讓每個節點都具有特定的單一功能，而不是創建一個包羅萬象的龐大節點。如果用C++編寫節點，需要用到ROS提供的roscpp庫；如果用Python編寫節點，需要用到ROS提供的rospy庫。

消息是構成計算圖的關鍵，包括消息機制和消息類型兩部分。消息機制有話題、服務和動作三種，每種消息機制中傳遞的數據都具有特定的數據類型（即消息類型），消息類型可分為話題消息類型、服務消息類型和動作消息類型。消息機制和消息類型將在1.5節中展開講解。

數據包（rosbag）是ROS中專門用來保存和回放話題中數據的文件，可以將一些難以收集的傳感器數據用數據包錄制下來，然后反復回放來進行算法性能調試。

參數服務器能夠為整個ROS網絡中的節點提供便于修改的參數。參數可以認為是節點中可供外部修改的全局變量，有靜態參數和動態參數。靜態參數一般用于在節點啟動時設置節點工作模式；動態參數可以用于在節點運行時動態配置節點或改變節點工作狀態，比如電機控制節點里的PID控制參數。

主節點負責各個節點之間通信過程的調度管理。因此主節點必須要最先啟動，可以通過roscore命令啟動。

2. 從文件系統視角理解ROS架構

ROS程序的不同組件要放在不同的文件夾中，這些文件夾根據不同的功能對文件進行組織，這就是ROS的文件系統結構，如圖1-4所示。

▲圖1-4 ROS的文件系統結構

工作空間是一個包含功能包、編譯包和編譯后可執行文件的文件夾，用戶可以根據自己的需要創建多個工作空間，在每個工作空間中開發不同用途的功能包。在圖1-4中，我們創建了一個名為catkin_ws的工作空間，其中包含src、build和devel三個文件夾。

• src文件夾放置各個功能包和配置功能包的CMake配置文件CMakeLists.txt。這里說明一下，由于ROS中的源碼采用catkin工具進行編譯，而catkin工具又基于CMake技術，所以我們在src源文件空間和各個功能包中都會見到一個CMake配置文件CMakeLists.txt，這個文件起到配置編譯的作用。
• build文件夾放置編譯CMake和catkin功能包時產生的緩存、配置、中間文件等。
• devel文件夾放置編譯好的可執行程序，這些可執行程序是不需要安裝就能直接運行的。一旦功能包源碼編譯和測試通過后，可以將這些編譯好的可執行文件直接導出與其他開發人員分享。

功能包是ROS中軟件組織的基本形式，具有創建ROS程序的最小結構和最少內容，它包含ROS節點源碼、腳本、配置文件等。

1. CMakeLists.txt是功能包配置文件，用于編譯Cmake功能包編譯時的編譯配置。
2. package.xml是功能包清單文件，用xml的標簽格式標記該功能包的各類相關信息，比如包的名稱、開發者信息、依賴關系等，主要是為了使功能包的安裝和分發更容易。
3. include/<pkg_name>是功能包頭文件目錄，可以把功能包程序中包含的*.h頭文件放在這里。include目錄之所以還要加一級路徑<pkg_name>是為了更好地區分自己定義的頭文件和系統標準頭文件，<pkg_name>用實際功能包的名稱替代。不過這個文件夾不是必要項，比如有些程序沒有頭文件。
4. msg、srv和action這三個文件夾分別用于存放非標準話題消息、服務消息和動作消息的定義文件。ROS支持用戶自定義消息通信過程中使用的消息類型。這些自定義消息不是必要的，比如程序只使用標準消息類型。
5. scripts目錄存放Bash、Python等腳本文件，為非必要項。
6. launch目錄存放節點的啟動文件，*.launch文件用于啟動一個或多個節點，在含有多個節點的大型項目中很有用，為非必要項。
7. src目錄存放功能包節點所對應的源代碼，一個功能包中可以有多個節點程序來完成不同的功能，每個節點程序都可以單獨運行。這里src目錄存放的是這些節點程序的源代碼，你可以按需創建文件夾和文件來組織源代碼，源代碼可以用C++、Python等編寫。

3. 從開源社區視角理解ROS架構

ROS是開源軟件，各個獨立的網絡社區分享和貢獻軟件及教程，形成了強大的ROS開源社區，如圖1-5所示。

▲圖1-5 ROS的開源社區結構

ROS的發展依賴于開源和共享的軟件，這些代碼由不同的機構共享和發布，比如GitHub源碼共享、Ubuntu軟件倉庫發布、第三方庫等。ROS的官方wiki是重要的文檔討論社區，在里面可以很方便地發布與修改相應的文檔頁面。ROS的answer主頁里有大量ROS開發者的提問和回答，對ROS開發中遇到的各種問題的討論很活躍。

關于作者：張虎，深圳市睿思智行科技有限公司CEO。曾就職于深圳市智能機器人研究院，主持機器人自主導航方面的研究項目。工作期間以網名“小虎哥哥愛學習”在知乎、CSDN、bilibili等平臺創作了大量機器人SLAM導航相關的優質博客文章及視頻教程，深受廣大網友的喜愛。他對強人工智能的研究非常感興趣，并致力于將具有先進智能的機器人進行產業化落地。

本文摘編自《機器人SLAM導航：核心技術與實戰》，經出版方授權發布。（ISBN：9787111697428）