機器人越來越火,我們來談談它的那些「ROS龜」們

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雷鋒網按：本文作者張玉坤/劉偉，來自北郵人機與認知實驗室（公號：人機與認知實驗室）。

ROS為Robot Operating System（機器人作業系統）的簡寫，是一個面向機器人的開源元作業系統（open-source，meta-operating system）。它能夠提供類似傳統作業系統的諸多功能，如硬體抽象、底層設備控制、進程間消息傳遞和程序包管理等。此外，它還提供相關工具和庫，用於獲取、編譯、編輯代碼以及在多個計算機之間運行程序完成分布式計算。ROS的運行架構是一種使用ROS通信模塊實現模塊間P2P的鬆耦合的網絡連接的處理架構，它執行若干種類型的通訊，包括基於服務的同步RPC（遠程過程調用）通訊、基於Topic的異步數據流通訊，還有參數伺服器上的數據存儲。

｜歷史

ROS起源於2007年前後史丹福大學人工智慧實驗室的STAIR（Stanford Artificial Intelligence Robot）項目與Willow Garage公司的個人機器人項目（Personal Robotics project）之間的合作。在2009年初推出了ROS0.4，現在所用系統的框架在這個版本中已初具雛形。經過近一年的測試後，於2010年初推出了ROS1.0版,並在當年三月份推出了正式發行版本：ROS Box Turtle，到現在（2016年5月）已經發行了10個版本，最新版本是ROS Kinetic Kame。比較有趣的是，ROS各版本均以龜作為發行代號，至今已設計出10種造型奇特的「ROS龜」。

從2008年至2013年，ROS主要由Willow Garage公司管理維護，但這並不意味著ROS是封閉的系統，相反，它是由眾多學校及科研機構聯合開發及維護的，這種聯合開發模式也為ROS系統生態的構建與壯大帶來有力的促進。

2013年，Willow Garage公司被Suitable Technologies公司收購，此前幾個月，ROS的開發和維護管理工作被移交給了新成立的開源基金會 Open Source Robotics Foundation。

｜ROS系統有什麼特點？

ROS的主要目標是為機器人研究和開發提供代碼復用的支持。ROS是一個分布式的進程（即「節點」）框架，這些進程被封裝在易於被分享和發布的程序包和功能包中。ROS也支持一種類似於代碼儲存庫的聯合系統，這個系統也可以實現工程的協作及發布。可以使一個工程的開發和實現從文件系統到用戶接口完全獨立決策（不受ROS限制）。同時，所有的工程都可以被ROS的基礎工具整合在一起。

ROS在某些程度上和其他常見的機器人架構有些相似之處，如：Player、Orocos、CARMEN、Orca和Microsoft Robotics Studio。對於簡單的無機械手的移動平臺來說，Player是非常不錯的選擇。ROS則不同，它被設計為適用於有機械臂和運動傳感器的移動平臺（傾角雷射、雲臺、機械臂傳感器）。與Player相比，ROS更有利於分布式計算環境。當然，Player 提供了較多的硬體驅動程序，ROS則在高層架構上提供了更多的算法應用（如集成OpenCV的視覺算法）。

ROS的主要特點可以歸納為以下幾條：

（1）點對點設計

ROS通過點對點設計以及服務和節點管理器等機制可以分散由於計算機視覺和語音識別等功能帶來的實時計算壓力，這種設計能適應服務機器人遇到的調戰。

（2）不依賴程式語言

ROS支持多種現代高級程式語言，C++、Python和Lisp語言已經在ROS中實現編譯，並得到應用，Octave和Java的測試庫也已經實現。為了支持多語言編程，ROS採用了一種語言中立的接口定義語言（language-neutral interface definition language,IDL )來實現各模塊之間的消息傳送。

（3）精簡與集成

ROS建立的系統具有模塊化的特點，各模塊中的代碼可以單獨編譯，而且編譯使用的CMake工具使它很容易的就實現精簡的理念。ROS基本將複雜的代碼封裝在庫裡，只是創建了一些小的應用程式為ROS顯示庫的功能，這就允許了對簡單的代碼超越原型進行移植和重新使用。作為一種新加入的有優勢，單元測試當代碼在庫中分散後也變得非常的容易，一個單獨的測試程序可以測試庫中很多的特點。

ROS不修改用戶的主函數，所以代碼可以被其他的機器人軟體使用。其優點是ROS很容易和其他的機器人軟體平臺集成。例如，在計算機視覺方面，ROS已經與OpenCV實現集成。在驅動、導航和模擬器方面，ROS已經與Player系統實現集成。在規划算法方面，ROS也已與OpenAVE系統實現集成。

（4）便於測試

為機器人開發軟體比其他軟體開發更具挑戰性，主要是因為調試準備時間長，且調試過程複雜。況且，因為硬體維修、經費有限等因素，不一定隨時有機器人可供使用。ROS提供兩種策略來解決上述問題。 

1.精心設計的ROS系統框架將底層硬體控制模塊和頂層數據處理與決策模塊分離，從而可以使用模擬器替代底層硬體模塊，獨立測試頂層部分，提高測試效率。 

2.ROS另外提供了一種簡單的方法可以在調試過程中記錄傳感器數據及其他類型的消息數據，並在試驗後按時間戳回放。通過這種方式，每次運行機器人可以獲得更多的測試機會。例如，可以記錄傳感器的數據，並通過多次回放測試不同的數據處理算法

（5）開源

ROS遵從BSD協議，這給了使用者很大的自由，使開發者可以清楚的查看、自由的使用原始碼，如果有需要，可以根據不同的系統及硬體環境對原始碼進行修改，或者進行二次開發。

（6）強大的庫及社區：

ROS提供了廣泛的庫文件實現以機動性、操作控制、感知為主的機器人功能。同時由於其開源特性，ROS的支持與發展依託著一個強大的社區。其官方網站尤其關注兼容性和支持文檔，提供了一套「一站式」的方案使得用戶得以搜索並學習來自全球開發者數以千計的ROS程序包。

｜小結

隨著技術的發展及人們需求的提高，機器人集成了越來越多的功能、傳感器，對用戶來說這越來越方便，但對開發者來說恰恰相反，功能的增加帶來開發與集成難度迅速上升，機器人作業系統的出現有效緩解了這種問題。

從計算機和智慧型手機的發展過程來看，合適與成熟的作業系統是智慧機器人行業大規模發展和在人們的生活中普及的必要條件。可以預見，未來幾年將會出現眾多機器人作業系統，在經過充分的發展競爭後將會有為數不多的幾個作業系統會發展壯大並佔據絕大部分市場，就像曾經的計算機作業系統和現在的手機作業系統。

【附】：ROS方面的一些參考資料：

1.《開源機器人作業系統——ROS》（張建偉等編）

2.《機器人作業系統(ROS)淺析》（ Jason M. O'Kane著） 

3.《Learning ROS for Robotics Programming》（Aaron Martinez等著）

4.《ROS By Example》（Patrick Goebel著）

5. ROS官方wiki

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