【自適應計算在機器人領(lǐng)域的應用】連載五：為什么是通過ROS 2集成自適應計算？

作者： Víctor Mayoral-Vilches 和 Giulio Corradi，賽靈思公司

連載五：為什么是通過 ROS 2集成自適應計算？

機器人操作系統(tǒng) （ROS） 是機器人應用開發(fā)的實際框架。在 Open Robotics 的維護和指導下，ROS 不僅是一種操作系統(tǒng)，也是一種框架。它由構(gòu)建和管理機器人的不同工具構(gòu)成，包括調(diào)試和可視化實用工具、編排工具、機器人庫（如運動規(guī)劃、導航、定位等），以及促進機器人系統(tǒng)開發(fā)的通信工具。

目前，原始版本的 ROS 文章已被引用 8，500 次以上，充分證明其在研究和學術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的認可，ROS 就誕生在這樣的環(huán)境下。其主要目的是為開展前沿研發(fā)的用戶提供所需的軟件工具。在像 ROS-Industrial（簡稱 ROS-I）這樣項目的支持下，ROS 在業(yè)界的熱度持續(xù)增長。ROS-I 是一個開源計劃，目的是將 ROS 軟件的先進功能推廣到工業(yè)應用。由于 ROS-I 聯(lián)盟的帶動，ROS 現(xiàn)已在業(yè)界成功部署。日前該聯(lián)盟已擁有 80 多家成員，每年在歐洲、美國和亞洲舉辦會議，廣聚數(shù)百位機器人專家和知名制造商。后者藉此機會，通過演示介紹他們自己的 ROS 驅(qū)動程序。

隨著 ROS 超越學術(shù)層面開始進入工業(yè)和其他領(lǐng)域，ROS 的局限性也日漸凸顯，如缺乏嵌入式支持和深度嵌入的原生支持，單機器人軟件架構(gòu)，無實時功能和缺乏安全性等。為了解決這些問題，Open Robotics 于 2014 年開始重新設計 ROS，由此 ROS 2 問世。ROS 2 通過將通信中間件與機器人邏輯分離，突破了大部分已知的局限性。具體而言，Open Robotics 選擇“數(shù)據(jù)分發(fā)服務”（DDS） 作為初始通信中間件，并針對各種 DDS 解決方案構(gòu)建適配器，同時對上層暴露 DDS 特性。盡管如此，ROS 核心層仍然保持免受通信中間件的影響。ROS 2 軟件架構(gòu)具體如 圖 1 所示：

圖 1：軟件架構(gòu)

上層建立在中間件抽象層 （rmw） 上，后者負責將 ROS 抽象轉(zhuǎn)譯成具體的中間件。ROS 客戶端庫 （rcl） 不會暴露任何具體中間件的實現(xiàn)細節(jié)（如 DDS）。這樣一來，rcl 保持免受中間件的影響，且能夠輕松擴展到其他需要不同傳輸方式的應用。

ROS 擁有數(shù)千名活躍用戶，目前已是規(guī)模最大的機器人專家群體。ROS 因研究而誕生，現(xiàn)已演進發(fā)展有十多年的時間，在各種應用領(lǐng)域得到廣泛采用，并且還能服務于工業(yè)需求。

ROS 不僅提供工具、庫和慣例，而且還擁有不斷擴大的機器人專家社區(qū)。從概念上講，ROS 在大多數(shù)方面圍繞著被稱為 ROS 計算圖的抽象。計算圖內(nèi)的每個節(jié)點都能開展機器人計算，并通過用底層通信中間件實現(xiàn)的通用點對點數(shù)據(jù)總線與其他節(jié)點交換信息。數(shù)據(jù)總線內(nèi)的通信通道按話題組織。因此，機器人的總體行為取決于計算圖，而計算圖可以實現(xiàn)在一部或多部計算機上（以分布方式）。這就完成了第二次抽象，也就是將計算圖映射到機器人中可用的計算基干形成 ROS 數(shù)據(jù)層圖。數(shù)據(jù)層圖代表的是物理分組和連接，用于在計算圖中實現(xiàn)建模行為。簡單地說，其捕獲的是機器人的物理現(xiàn)實，包括通信總線、機器人組件（包括傳感器和/或致動器），以及計算圖與現(xiàn)有機器人組件中可用的計算基干間的映射。

ROS 計算圖可以涉及一個或多個機器人，并且本質(zhì)上是模塊化的，能夠以分布式或集中式的方式實現(xiàn)。圖 2 所示的是 ROS 計算圖（圖 2 的上部分）和數(shù)據(jù)層圖（圖 2 的下部分）。表 1 是對一些最重要的ROS概念的總結(jié)。

（b）ROS 2 數(shù)據(jù)層圖：表示用于在計算圖中實現(xiàn)建模行為的物理分組和連接。

圖2： ROS 抽象用于具備導航能力的 2 輪機器人

表 1：ROS 最相關(guān)概念的總結(jié)

要點總結(jié)： ROS 計算圖是一種為機器人總體行為建模的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而數(shù)據(jù)層圖捕獲的則是機器人組件（用于在計算圖中實現(xiàn)建模行為）的物理分組和連接。