一、為什么要推出ROS2？

2010年，ROS1首次發(fā)布正式版本，其研發(fā)的初衷是為設(shè)計PR2（個人服務(wù)型機器人）共用的軟件架構(gòu)。但隨著ROS1技術(shù)的普及，ROS1開始廣泛融入各領(lǐng)域無人系統(tǒng)的研發(fā)，陸續(xù)暴露了系統(tǒng)的諸多問題。為了適應(yīng)新時代機器人研發(fā)的需要，2022年5月，ROS開發(fā)者團隊推出新版本ROS2。

（一）ROS1的誕生

2007年，斯坦福大學(xué)學(xué)生為開發(fā)PR2（個人服務(wù)型機器人）共用的軟件架構(gòu)，設(shè)計ROS的原型。2010年，Willow Garage公司推出ROS1的首個發(fā)行版。

（二）ROS1存在的問題

ROS1最早的設(shè)計目標：針對家庭服務(wù)機器人PR2，設(shè)計一款共用開發(fā)的軟件架構(gòu)。

（1）PR2特點

• 體積大，算力充足：它搭載了工作站級別的計算平臺和各種先進的通信設(shè)備，不用擔憂算力不夠，有足夠的實力支持各種復(fù)雜的實時運算和處理；
• 通訊可靠：由于是單兵作戰(zhàn)，通信絕大部分都自己內(nèi)部完成，那就可以用有線連接，保證了良好的網(wǎng)絡(luò)連接，沒有丟數(shù)據(jù)或者黑客入侵的風(fēng)險；
• 實驗室產(chǎn)品，沒有工程應(yīng)用：這臺機器人最終雖然小批量生產(chǎn)，但是由于高昂的成本和售價，也只能用于學(xué)術(shù)研究。
  

（2）ROS1存在問題

隨著ROS1技術(shù)的普及，ROS1融入各領(lǐng)域無人系統(tǒng)的研發(fā)。原本僅針對PR2設(shè)計的軟件架構(gòu)，就出現(xiàn)諸多問題：

• 資源需求大：需要在資源有限的嵌入式系統(tǒng)中運行；
• 系統(tǒng)抗干擾差：要在有干擾的地方保證通信的可靠性；
• 產(chǎn)品應(yīng)用差：要做成產(chǎn)品走向市場，甚至用在自動駕駛汽車和航天機器人上。

（三）ROS2設(shè)計思路

（1）ROS2針對場景

• 多機器人系統(tǒng)：ROS2為多機器人系統(tǒng)的應(yīng)用提供了標準方法和通信機制。
• 跨平臺：機器人應(yīng)用場景不同，使用的控制平臺也會有很大差異，為了讓所有機器人都可以運行ROS2，ROS2可以跨平臺運行于Linux、Windows、MacOS、RTOS，甚至是沒有任何系統(tǒng)的微控制器（MCU）上。
• 實時性：機器人運動控制和很多行為策略要求機器人具備實時性，比如機器人要可靠得在100ms內(nèi)發(fā)現(xiàn)前方的行人，或者穩(wěn)定的在1ms周期內(nèi)完成運動學(xué)、動力學(xué)的解算，ROS2為類似這樣的實時性需求提供了基本保障。
• 網(wǎng)絡(luò)連接：無論在怎樣的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，ROS2都可以盡量保障機器人大量數(shù)據(jù)的完整性和安全性，比如在wifi信號不好的時候數(shù)據(jù)也要盡力發(fā)送過去，在有黑客入侵風(fēng)險的場景下要對數(shù)據(jù)進行加密解密。
• 產(chǎn)品化：大量機器人已經(jīng)走向我們的生活，未來還會越來越多，ROS2不僅可以用于機器人研發(fā)階段，還可以直接搭載在產(chǎn)品中，走向消費市場，這對ROS2的穩(wěn)定性、強壯性也提除了巨大挑戰(zhàn)。
• 項目管理：機器人開發(fā)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，設(shè)計、開發(fā)、調(diào)試、測試、部署等全流程的項目管理工具和機制，也會在ROS2中體現(xiàn)，更方便我們?nèi)ラ_發(fā)一款機器人。

（2）設(shè)計思路

ROS開發(fā)團隊從長遠角度考慮，選擇推翻ROS1的軟件架構(gòu)，設(shè)計全新的ROS2操作系統(tǒng)。對系統(tǒng)架構(gòu)、軟件代碼、系統(tǒng)編譯均做出全面升級。

• 系統(tǒng)架構(gòu)：借助DDS通信架構(gòu)，實現(xiàn)系統(tǒng)分布式
• 軟件接口：ROS2結(jié)合C++和Python3的最新標準，重新設(shè)計API接口
• 系統(tǒng)編譯：對大工程和python工程，更加友好。
  

二、ROS2系統(tǒng)特性

（一）系統(tǒng)架構(gòu)

• 進程管理：在ROS1中，需要開啟中央節(jié)點管理器Master，統(tǒng)一管理所有節(jié)點。如果Master節(jié)點出現(xiàn)故障，將嚴重影響ROS系統(tǒng)功能。在ROS2中，系統(tǒng)引入節(jié)點自發(fā)現(xiàn)機制，可有效提高系統(tǒng)魯棒性。
• 進程內(nèi)通信：進程內(nèi)部進行通信，ROS1和ROS2均采用共享內(nèi)存的方式。
• 進程間通信：在ROS1中，進程間進行通信主要依賴于底層的TCP\UDP協(xié)議，但是在ROS2中，引入復(fù)雜的DDS系統(tǒng)。

（二）通信架構(gòu)

ROS1是基于TCP/UDP通信系統(tǒng)，具有高延遲、丟數(shù)據(jù)、無法加密等特點。而ROS2在通信層面使用DDS通信協(xié)議。
DDS是物聯(lián)網(wǎng)中一種通信協(xié)議，具有多個版本，DDS是一個國際標準，能夠?qū)崿F(xiàn)該標準的軟件系統(tǒng)并不是唯一的。多個廠家可以提供的DDS系統(tǒng)，比如OpenSplice、FastRTPS等，每一家的性能不同，適用的場景也不同。
每一個廠家的軟件接口是不同的，為了解決這個問題，ROS2設(shè)計了一個ROS Middleware，簡稱RMW，也就是指定一個標準的接口。比如如何發(fā)數(shù)據(jù)，如何收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的各種屬性如何配置，都定義好了，如果廠家想要接入ROS社區(qū)，就得按照這個標準寫一個適配的接口，把自家的DDS給移植過來，這樣就把問題交給了最熟悉自家DDS的廠商。對于我們這些用戶來講，某一個DDS用的不爽，只要安裝另一個，然后做一個簡單的配置，程序一行的都不用改，輕松更換底層的通信系統(tǒng)。
對于開發(fā)者，在產(chǎn)品研發(fā)階段，可以使用開源的DDS滿足產(chǎn)品基本需求，在部署交付階段，可以更換到更加穩(wěn)定的DDS版本，以減小開發(fā)成本。
（三）核心概念
為了ROS開發(fā)者開發(fā)的延續(xù)性，ROS2保留了ROS1的基本概念。

ROS2系統(tǒng)學(xué)習(xí)，可參考：古月居ROS2入門21講文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-490985.html

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