ROS中阶笔记（十一）：ROS 2.0

ROS中阶笔记（十一）：ROS 2.0

目录

• 1 为什要有ROS 2
  • 1.1 ROS 1的特色
  • 1.2 ROS 1的困境
  • 1.3 ROS 2的曙光
  • 1.4 ROS 2的版本进化
  • 1.5 ROS 2 VS ROS 1（重点）
• 2 什么是ROS2
  • 2.1 ROS 2的架构
  • 2.2 DDS（ROS 2.0 的优点）
  • 2.3 ROS2的通讯模型
  • 2.4 ROS2的质量服务原则QoS
    • 2.4.1 QoS的工做模型
    • 2.4.2 QoS的数据结构
  • 2.5 ROS2的编译系统(重点)
    • 2.5.1 ROS2的编译系统简介
    • 2.5.1 ROS2的编译系统的特色
• 3 安装ROS2
• 4 话题与服务编程
  • 4.1 ament工做空间的建立
  • 4.2 两代ROS的代码对比
• 5 ROS2与ROS1的集成
  • 5.1 ROS1与ROS2之间的桥梁

1 为什要有ROS 2

1.1 ROS 1的特色

• 独立的机器人（PR2）
• 工做站级别的计算资源
• 没有实时性的需求
• 良好的网络链接
• 主要应用于研究

1.2 ROS 1的困境

• [ ] 多机器人系统——没有构建多机器人系统的标准方法
• [ ] 跨平台——没法适用于windows、RTOS等系统
• [ ] 实时性——缺乏实时性方面的设计
• [ ] 网络链接——须要良好的网络环境保证数据的完整性
• [ ] 产品化——从科学研究到消费产品的过渡欠佳
• [ ] 项目管理——没法胜任完整生命周期下项目管理

1.3 ROS 2的曙光

​ ROS已经走过十个年头，伴随着机器人技术的大发展，ROS也获得了极大的推广和应用。尽管ROS还存在很多局限性，但没法掩盖ROS的锋芒，社区内的功能包仍是呈指数级逐年上涨，为机器人开发带来了巨大的便利。很多开发者和研究机构还针对ROS的局限性进行了改良，但这些局部功能的改善每每很难带来总体性能的提高，机器人开发者对新一-代ROS的呼声愈来愈大，ROS2.0的消息也不绝于耳。

​ 终于在ROSCon 2014上，正式公布了新一代ROS的设计架构（Next-generation ROS：Building on DDS），2015年8月 第一个ROS2.0的alpha版本落地，2016年12月19日，ROS2.0的beta版本正式发布，2017年12月8日，万众瞩目的ROS2.0终于发布了第一个正式版——Ardent Apalone。众多新技术和新概念应用到了新一代的ROS之中，不只带来了总体架构的颠覆，更是加强了ROS2.0的综合性能。

1.4 ROS 2的版本进化

1.5 ROS 2 VS ROS 1（重点）

一、架构的颠覆

• ROS1的架构下，全部节点须要使用Master进行管理
• ROS2使用基于DDS的Discovery机制，和Master说拜拜

二、API的从新设计

• ROS1中的大部分代码都基于2009年2月设计的API
• ROS2从新设计了用户API，但使用方法相似

三、编译系统的升级

• ROS 1使用rosbuild、catkin管理项 目
• ROS2使用升级版的ament

2 什么是ROS2

2.1 ROS 2的架构

2.2 DDS（ROS 2.0 的优点）

DDS，Data Distribution Service，即数据分发服务

• 2004年由对象管理组织0MG（Object Management Group）发布
• 专门为实时系统设计的数据分发/订阅标准
• 最先应用于美国海军，解决舰船复杂网络环境中大量软件升级的兼容性问题，目前已经成为美国国防部的强制标准，同时普遍应用于国防、民航、工业控制等领域，成为分布式实时系统中数据发布/订阅的标准解决方案。
• 技术核心是以数据为核心的发布订阅模型（Data-Centric Publish-Subscribe，DCPS），这种DCPS模型建立了一个“全局数据空间”（global data space）的概念，全部独立的应用均可以去访问。
• 在DDS中，每个发布者或者订阅者都称为参与者（participant），相似于ROS中节点的概念。每个参与者均可以使用某种定义好的数据类型来读写全局数据空间。

2.3 ROS2的通讯模型

2.4 ROS2的质量服务原则QoS

2.4.1 QoS的工做模型

2.4.2 QoS的数据结构

typedef struct RMW_PUBLIC_TYPE rmw_qos_profile_t 
{
enum rmw_qos_history_policy_t history; 
size_t depth; 
enum rmw_qos_reliability_policy_t reliability; 
enum rmw_qos_durability_policy_t durability;
}rmw_qos_profile_t;

• 每一个原则都有对应的系统默认值
• 可使用DDS厂商提供的配置工具修改QoS的设置
• 多商家的DDS能够并存

2.5 ROS2的编译系统(重点)

2.5.1 ROS2的编译系统简介

一、功能
ament是一种元编译系统，用来构建组成应用程序的多个独立功能包，catkin编译系统进一步演化的版本。

二、组成

• 编译系统：配置、编译、安装独立的功能包
• 构建工具：将多个独立的功能包按照必定的拓扑结构进行连接

ament还处于开发中，目前并不稳定，也不提供并行构建的能力，未来应该会加入

2.5.1 ROS2的编译系统的特色

一、CMake centric catkin

系统以CMake为中心，因此只包含python代码的功能包也须要由CMake进行处理，可是CMake并不支持Python setuptools中的全部功能，并且也很难在Window上进行移植。

二、Devel space

在catkin系统构建完成后，会在工做目录下生成一个devel文件夹，里边是编译好的功能包，以及环境变量的设置等等，基本上等同于ROS安装完成后的目录结构和做用。可是相信不少初学者由于devel中的环境变量而苦恼过，这确实为用户带来了一些没必要要的麻烦。

三、catkin_simple catkin_simple

是一个用于改善用户catkin体验的工具包，能够减小复杂的CMake代码，可是会存在不稳定的状况。ament也是实现了相似的功能，可是可靠性更强。

四、Building within a single CMake context

使用catkin_make命令能够一次性编译工做空间中的全部功能包，虽然方便，但若是存在相同命名的功能包时，会编译失败，ament在这方面也进行了改善。

3 安装ROS2

ROS2只支持Ubuntu 16.04以上的系统

由于ROS2更新迭代快，根据时效性，看官网安装。另外对于ROS的实时性没有特别要求，建议用ROS1。

官网：https://index.ros.org/doc/ros2/Installation/Crystal/Linux-Install-Binary/#system-requirements

分别打开两个终端运行如下命令：

$ ros2 run demo_nodes_cpp talker
$ ros2 run demo_nodes_cpp listener

4 话题与服务编程

4.1 ament工做空间的建立

一、建立工做空间

$ mkdir-p ~/ros2_ ws/src
$ cd ~/ros2_ ws/src

二、建立功能包

手动建立：my_package/

CMakeLists.txt
package.xml

三、编译（以ament为例）

$ ament build

4.2 两代ROS的代码对比

• ROS2中的API相比ROS1中发生了较大的变化，ROS2并非在ROS1的基础上查漏补缺，而是彻底重新设计。
  关于ROS2的API说明，能够参考API文档：http://docs.ros2.org/ardent/api/rclcpp/index.html
• 使用了更多C++的特性，好比auto、make_shared等。
• 加入了QoS配置，从上边的代码中，咱们能够看到QoS有默认的配置rmw_qos_profile_default，并且talker将QoS的depth配置设置为“7”。
• 代码的整体架构仍是与ROS1极为类似的。

5 ROS2与ROS1的集成

5.1 ROS1与ROS2之间的桥梁

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