ROS的基本概念和系統(tǒng)架構 ROS的安裝和簡單測試

作者：李慢慢

來源：微信公眾號【車路漫漫】

前言：一直都覺得ROS很神秘，到底是個操作系統(tǒng)，僅憑稱呼就讓我望而卻步了。但ROS和自動駕駛仿真有著千絲萬縷的聯(lián)系，作為仿真軟件和智駕算法的數(shù)據橋梁，ROS是個繞不開的話題，所以還是得硬著頭皮啃一啃。然后用大白話講給你聽，最好再做兩個小栗子，那可真是功德無量了。

本文將帶領大家了解ROS的核心概念，為后續(xù)學習“使用ROS框架為自動駕駛仿真平臺集成被控算法”打好基礎。

1、ROS簡介

ROS（Robot Operating System）是一個適用于機器人的開源框架，這個框架把原本松散的零部件耦合在了一起，為它們提供了通信架構。ROS雖然叫做操作系統(tǒng)，但是它卻要安裝在如Linux這種操作系統(tǒng)上才能運行。它的作用只是連接真正的操作系統(tǒng)（如Linux）和使用者自己開發(fā)的ROS應用程序（比如自動駕駛的感知、規(guī)劃、決策等模塊），所以它也算是個中間件，在基于ROS的應用程序之間建立起了溝通的橋梁。

所以，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。

為了更形象的理解ROS的應用，這里從別的平臺找到一個非常好的科普視頻，供大家學習。

2、ROS的核心概念

在正式學習ROS之前，先介紹ROS的幾個特性，即元操作系統(tǒng)、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(tǒng)。也就是說，它并不是真正意義上的操作系統(tǒng)，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(tǒng)Ubuntu/Linux完成。

ROS實際上是運行在Ubuntu/Linux上的亞操作系統(tǒng) ，或者說軟件框架，但提供硬件抽象、函數(shù)調用、進程管理這些類似操作系統(tǒng)的功能，也提供用于獲取、編譯、跨平臺的函數(shù)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(jié)點，節(jié)點之間通過互相發(fā)送消息進行溝通。這些節(jié)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(lián)網上。ROS網絡通信機制中的主節(jié)點（master）負責對網絡中各個節(jié)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(shù)的服務。

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

3、從ROS1到ROS2

2007年，一家名為柳樹車庫（Willow Garage）的機器人公司發(fā)布了ROS，ROS集開源、免費、高復用、低耦合、工具豐富等等諸多優(yōu)勢于一身，一經推出便迅速吸引了大量的開發(fā)者、科研人員、硬件供應商的加入，形成了穩(wěn)定且多樣的機器人生態(tài)，水到渠成的ROS也成為了機器人領域的主流軟件框架并流行至今。

自ROS誕生的十幾年來，不管是機器人相關軟件、硬件還是ROS社區(qū)都發(fā)生了天翻地覆的變化，加之原本的ROS存在一些設計上的先天性缺陷，在各種內外因素疊加下，導致老ROS在許多應用場景下都已經顯得力不從心了。此背景下，官方于2017正式推出了新一代機器人操作系統(tǒng)——ROS2（區(qū)別于老ROS，即ROS1），ROS2基于全新的設計框架，保留了ROS1的優(yōu)點并改進其缺陷，以適應新時代的新需求。

ROS2是全新一代機器人操作系統(tǒng)，不只是功能增強的ROS1。

所以，我們還是直接就學習ROS2吧。

4、ROS的發(fā)行版本

ROS最初是基于Ubuntu系統(tǒng)開發(fā)的，ROS的發(fā)行版本名稱也和Ubuntu采用了同樣的規(guī)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，以下列表為ROS2各不同發(fā)布版本的簡單說明。

發(fā)行版	發(fā)布日期	停止維護日期
Iron Irwini	2023 年 5 月 23 日	2024 年 11 月
Iron Irwini	2023 年 5 月 23 日	2024 年 11 月
Humble Hawksbill	2022 年 5 月 23 日	2027 年 5 月
Galactic Geochelone	2021 年 5 月 23 日	2022 年 11 月
Foxy Fitzroy	2020 年 6 月 5 日	2023 年 5 月
Eloquent Elusor	2019 年 11 月 22 日	2020 年 11 月
Dashing Diademata	2019 年 5 月 31 日	2021 年 5 月
Crystal Clemmys	2018 年 12 月 14 日	2019 年 12 月
Bouncy Bolson	2018 年 7 月 2 日	2019 年 7 月
Ardent Apalone	2017 年 12 月 8 日	2018 年 12 月

5、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。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

6、ROS系統(tǒng)架構

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(tǒng)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(tǒng)和開源社區(qū)視角來理解ROS架構。

6.1、從計算圖視角理解ROS架構

ROS中可執(zhí)行程序的基本單位叫 節(jié)點 （node），節(jié)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，如下圖所示。

節(jié)點是可執(zhí)行程序，通常也叫進程。

ROS功能包中創(chuàng)建的每個可執(zhí)行程序在被啟動加載到系統(tǒng)進程中后，就是一個ROS節(jié)點，如上圖中的節(jié)點1、節(jié)點2、節(jié)點3等。

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

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

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

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(shù)據都具有特定的數(shù)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；

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

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

6.2、從文件系統(tǒng)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(tǒng)結構，如下圖所示。

工作空間是一個包含功能包、編譯包和編譯后可執(zhí)行文件的文件夾，用戶可以根據自己的需要創(chuàng)建多個工作空間，在每個工作空間中開發(fā)不同用途的功能包。在上圖中，我們創(chuàng)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(zhí)行程序，這些可執(zhí)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(zhí)行文件直接導出與其他開發(fā)人員分享。

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

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。

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(fā)者信息、依賴關系等，主要是為了使功能包的安裝和分發(fā)更容易。

include/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是為了更好地區(qū)分自己定義的頭文件和系統(tǒng)標準頭文件，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。

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。

scripts目錄存放Bash、Python等腳本文件，為非必要項。

launch目錄存放節(jié)點的啟動文件，*.launch文件用于啟動一個或多個節(jié)點，在含有多個節(jié)點的大型項目中很有用，為非必要項。

src目錄存放功能包節(jié)點所對應的源代碼，一個功能包中可以有多個節(jié)點程序來完成不同的功能，每個節(jié)點程序都可以單獨運行。這里src目錄存放的是這些節(jié)點程序的源代碼，你可以按需創(chuàng)建文件夾和文件來組織源代碼，源代碼可以用C++、Python等編寫。

6.3、從開源社區(qū)視角理解ROS架構

ROS是開源軟件，各個獨立的網絡社區(qū)分享和貢獻軟件及教程，形成了強大的ROS開源社區(qū)，如下圖所示。

ROS的發(fā)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(fā)布，比如GitHub源碼共享、Ubuntu軟件倉庫發(fā)布、第三方庫等。ROS的官方wiki是重要的文檔討論社區(qū)，在里面可以很方便地發(fā)布與修改相應的文檔頁面。ROS的answer主頁里有大量ROS開發(fā)者的提問和回答，對ROS開發(fā)中遇到的各種問題的討論很活躍。

7、ROS的安裝及測試

7.1、更新軟件源

再開始安裝之前，強烈建議大家更新一下系統(tǒng)源（很多基礎環(huán)境包都將從這里下載并安裝）。我這里使用了阿里的源，更新方法如下：

首先需要備份一下原始的源列表文件

sudocp-rf/etc/apt/sources.list/etc/apt/sources.list.bak

然后開始編輯源列表文件：

sudo gedit /etc/apt/sources.list

將sources.list中原本的內容都刪除，然后填入以下的內容后保存：

debhttp://mirrors.aliyun.com/ubuntu/jammymainrestricteduniversemultiverse
deb-srchttp://mirrors.aliyun.com/ubuntu/jammymainrestricteduniversemultiverse
debhttp://mirrors.aliyun.com/ubuntu/jammy-securitymainrestricteduniversemultiverse
deb-srchttp://mirrors.aliyun.com/ubuntu/jammy-securitymainrestricteduniversemultiverse
debhttp://mirrors.aliyun.com/ubuntu/jammy-updatesmainrestricteduniversemultiverse
deb-srchttp://mirrors.aliyun.com/ubuntu/jammy-updatesmainrestricteduniversemultiverse
debhttp://mirrors.aliyun.com/ubuntu/jammy-proposedmainrestricteduniversemultiverse
deb-srchttp://mirrors.aliyun.com/ubuntu/jammy-proposedmainrestricteduniversemultiverse
debhttp://mirrors.aliyun.com/ubuntu/jammy-backportsmainrestricteduniversemultiverse
deb-srchttp://mirrors.aliyun.com/ubuntu/jammy-backportsmainrestricteduniversemultiverse

注意：雖然同為阿里源，但也有針對系統(tǒng)的不同源版本，我的Ubuntu系統(tǒng)是jammy版本，阿里源也應該是這個版本。然后根據這個源更新自己系統(tǒng)里的軟件：

sudoapt-getupdate
sudoapt-getupgrade

這個過程應該要挺久，但運行完畢不應該報錯才行，有任務錯誤請自行度娘。

然后就是根據官方的教程進行ROS2的安裝。官方的安裝教程鏈接如下：

https://docs.ros.org/en/humble/Installation.html

7.2、檢查操作系統(tǒng)語言環(huán)境

在ROS2官方的文檔中，安裝ROS2之前需要首先檢查操作系統(tǒng)語言環(huán)境。官方解釋：確保你有一個支持UTF - 8的語言環(huán)境。如果你處在一個極小的環(huán)境(例如一個Docker容器)中，那么這個語言環(huán)境可能和POSIX一樣是極小的。我們通過以下設定進行檢驗。

我們可以Ctrl+Alt+T調出終端，輸入locale檢查是否支持 UTF-8，若不支持，則需要繼續(xù)執(zhí)行下邊的指令進行設置:

locale#檢查是否支持UTF-8
sudoaptupdate&&sudoaptinstalllocales
sudolocale-genen_USen_US.UTF-8
sudoupdate-localeLC_ALL=en_US.UTF-8LANG=en_US.UTF-8
exportLANG=en_US.UTF-8
locale#驗證設置是否正確

7.3、Ubuntu universe存儲庫設置與啟動

在設置ROS2軟件源之前，我們需要首先啟動Ubuntu universe存儲庫，啟動Ubuntu universe存儲庫我們可以通過打開終端通過命令行進行操作。

根據官方文檔，我們可以在命令行輸入下面的指令來進行Ubuntu universe存儲庫的啟動：

sudoaptinstallsoftware-properties-common
sudoadd-apt-repositoryuniverse

7.4、設置ROS軟件源

通過下面的命令，首先將ROS 2 apt存儲庫更新添加到系統(tǒng)，然后通過apt授權ROS 2的GPG密鑰：

sudoaptupdate&&sudoaptinstallcurl
sudocurl-sSLhttps://raw.githubusercontent.com/ros/rosdistro/master/ros.key-o/usr/share/keyrings/ros-archive-keyring.gpg

然后通過以下指令，將存儲庫添加到我們的源列表中。

echo"deb[arch=$(dpkg--print-architecture)signed-by=/usr/share/keyrings/ros-archive-keyring.gpg]http://packages.ros.org/ros2/ubuntu$(./etc/os-release&&echo$UBUNTU_CODENAME)main"|sudotee/etc/apt/sources.list.d/ros2.list>/dev/null

7.5、安裝ROS2

設置完存儲庫后，首先通過下面的指令更新apt存儲庫緩存

sudoaptupdate

由于ROS 2建立在頻繁更新的Ubuntu系統(tǒng)上。所以官方建議在安裝新的軟件包之前確保您的系統(tǒng)是最新的。我們可以通過下面的指令更新升級已安裝的軟件

sudoaptupgrade

ROS安裝版本選擇及安裝指令：

ROS2桌面版安裝(官方推薦)，包括：ROS、Rviz、官方demo、教程

sudoaptinstallros-humble-desktop

ROS2基礎版安裝(裸機)，包括：通信庫、消息包、命令行工具等，但沒有GUI工具。

sudoaptinstallros-humble-ros-base

這里我們安裝桌面版ROS2 ，輸入以下的安裝指令即可：

sudoaptinstallros-humble-desktop

7.6、環(huán)境配置

官方文檔給出了環(huán)境配置的方法，在終端下執(zhí)行ROS2程序之前，要調用下面的命令進行環(huán)境配置，才可正確執(zhí)行程序

#Replace".bash"withyourshellifyou'renotusingbash
#Possiblevaluesare:setup.bash,setup.sh,setup.zsh
source/opt/ros/humble/setup.bash

對于官方的環(huán)境配置方法，由于每次打開新的終端，都需要進行環(huán)境的配置，這降低了開發(fā)和測試的效率，為了避免每次打開新的終端都進行環(huán)境配置這個問題，我們可以將配置環(huán)境指令通過下面的指令寫入 ”~/.bashrc“ 文件，那么每次新啟動終端時，就不需要在手動配置環(huán)境：

#將配置環(huán)境指令通過下面的指令寫入”~/.bashrc“文件
echo"source/opt/ros/humble/setup.bash">>~/.bashrc
#查看”~/.bashrc“文件
sudogedit~/.bashrc

至此，我們完成了ROS2的安裝與環(huán)境配置，接下來我們進行ROS2的環(huán)境測試。

8、ROS操作系統(tǒng)的使用案例

8.1、案例1-talker和listener

我們需要以此打開兩個終端窗口，各輸入以下一條指令。

啟動第一個終端，通過以下命令啟動一個數(shù)據的發(fā)布者節(jié)點：

ros2rundemo_nodes_cpptalker

啟動第二個終端，通過以下命令啟動一個數(shù)據的訂閱者節(jié)點：

ros2rundemo_nodes_pylistener

如果“Hello World”字符串在兩個終端中正常傳輸，說明通信系統(tǒng)沒有問題。如下所示：

8.2、案例2-小烏龜

在我們安裝的ROS2桌面完整版中，內置了一些案例，我們可以運行這些案例來測試ROS2的安裝與配置是否正常。在這里，我們選用ROS2經典的小烏龜案例來進行演示，實操如下：

使用快捷鍵‘Ctrll+Alt+T’分別打開兩個終端，并分別輸入下面兩個命令：

#啟動第一個終端
#啟動烏龜GUI節(jié)點界面，烏龜可以在界面中運動
ros2runturtlesimturtlesim_node

#啟動第二個終端
#啟動鍵盤控制節(jié)點，可以通過鍵盤控制烏龜運動
ros2runturtlesimturtle_teleop_key

運行效果的界面如下：

9、結語

本文初步完成了ROS基本概念的學習，并完成了安裝和簡單測試。后續(xù)將繼續(xù)基于ROS和Carla，完成自定義節(jié)點的設置，并集成其他平臺的開源自動駕駛算法，以搭建更為完善的自動駕駛仿真測試平臺，歡迎大家持續(xù)關注。

文章來源：車路漫漫