作者：李慢慢
前言：一直都觉得ROS很神秘，到底是个操作系统，仅凭称呼就让我望而却步了。但ROS和自动驾驶仿真有着千丝万缕的联系，作为仿真软件和智驾算法的数据桥梁，ROS是个绕不开的话题，所以还是得硬着头皮啃一啃。然后用大白话讲给你听，最好再做两个小栗子，那可真是功德无量了。
本文将带领大家了解ROS的核心概念，为后续学习“使用ROS框架为自动驾驶仿真平台集成被控算法”打好基础。
ROS（Robot Operating System）是一个适用于机器人的开源框架，这个框架把原本松散的零部件耦合在了一起，为它们提供了通信架构。ROS虽然叫做操作系统，但是它却要安装在如Linux这种操作系统上才能运行。它的作用只是连接真正的操作系统（如Linux）和使用者自己开发的ROS应用程序（比如自动驾驶的感知、规划、决策等模块），所以它也算是个中间件，在基于ROS的应用程序之间建立起了沟通的桥梁。
所以，简单点说， ROS就是一个分布式的通信框架，帮助程序进程之间更方便地通信。
在正式学习ROS之前，先介绍ROS的几个特性，即元操作系统、分布式通信机制、松耦合软件框架、丰富的开源功能库等，来帮大家建立一些感性的认识。
ROS是一个机器人领域的元操作系统。也就是说，它并不是真正意义上的操作系统，其底层的任务调度、编译、设备驱动等还是由它的原生操作系统Ubuntu/Linux完成。
ROS实际上是运行在Ubuntu/Linux上的亚操作系统 ，或者说软件框架，但提供硬件抽象、函数调用、进程管理这些类似操作系统的功能，也提供用于获取、编译、跨平台的函数和工具。
ROS的核心思想就是将机器人的软件功能做成一个个节点，节点之间通过互相发送消息进行沟通。这些节点可以部署在同一台主机上，也可以部署在不同主机上，甚至还可以部署在互联网上。ROS网络通信机制中的主节点（master）负责对网络中各个节点之间的通信过程进行管理调度，同时提供一个用于配置网络中全局参数的服务。
ROS是松耦合软件框架，利用分布式通信机制实现节点间的进程通信。ROS的软件代码以松耦合方式组织，开发过程灵活，管理维护方便。
2007年，一家名为柳树车库（Willow Garage）的机器人公司发布了ROS，ROS集开源、免费、高复用、低耦合、工具丰富等等诸多优势于一身，一经推出便迅速吸引了大量的开发者、科研人员、硬件供应商的加入，形成了稳定且多样的机器人生态，水到渠成的ROS也成为了机器人领域的主流软件框架并流行至今。
图片来源：小米铁蛋
自ROS诞生的十几年来，不管是机器人相关软件、硬件还是ROS社区都发生了天翻地覆的变化，加之原本的ROS存在一些设计上的先天性缺陷，在各种内外因素叠加下，导致老ROS在许多应用场景下都已经显得力不从心了。此背景下，官方于2017正式推出了新一代机器人操作系统——ROS2（区别于老ROS，即ROS1），ROS2基于全新的设计框架，保留了ROS1的优点并改进其缺陷，以适应新时代的新需求。
ROS2是全新一代机器人操作系统，不只是功能增强的ROS1。
所以，我们还是直接就学习ROS2吧。
ROS最初是基于Ubuntu系统开发的，ROS的发行版本名称也和Ubuntu采用了同样的规则，即版本名称由两个相同首字母的英文单词组成，版本首字母按字母表递增顺序选取，以下列表为ROS2各不同发布版本的简单说明。
| 发行版 | 发布日期 | 停止维护日期 |
|---|---|---|
| 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 |
要想学好以及用好ROS，需要进行大量的实践操作。因此在快速了解ROS的核心概念和编程范式后，就要结合大量的实际项目来深入理解ROS。ROS的学习资源主要有以下几个：
由于ROS的架构比较复杂，为了后面容易理解遇到的各种概念，这里先讨论一下ROS的系统架构，好让大家对ROS中的各种概念有全面性把控。按照官方的说法，可以分别从计算图 、 文件系统和开源社区视角来理解ROS架构。
ROS中可执行程序的基本单位叫 节点 （node），节点之间通过消息机制进行通信，这样就组成了一张网状图，也叫计算图，如下图所示。
节点是可执行程序，通常也叫进程。
ROS功能包中创建的每个可执行程序在被启动加载到系统进程中后，就是一个ROS节点，如上图中的节点1、节点2、节点3等。
节点之间通过收发消息进行通信，消息收发机制分为 话题 （topic）、 服务 （service）和 动作 （action）三种，如图1-3中的节点2与节点3、节点2与节点5采用话题通信，节点2与节点4采用服务通信，节点1与节点2采用动作通信。计算图中的节点、话题、服务、动作都要有唯一名称作为标识。
ROS利用节点将代码和功能解耦，提高了系统的容错性和可维护性。所以最好让每个节点都具有特定的单一功能，而不是创建一个包罗万象的庞大节点。如果用C++编写节点，需要用到ROS提供的roscpp库；如果用Python编写节点，需要用到ROS提供的rospy库。
主节点负责各个节点之间通信过程的调度管理。因此主节点必须要最先启动，可以通过roscore命令启动。
消息是构成计算图的关键，包括消息机制和消息类型两部分：消息机制有话题、服务和动作三种，每种消息机制中传递的数据都具有特定的数据类型（即消息类型）；消息类型可分为话题消息类型、服务消息类型和动作消息类型；
数据包 （rosbag）是ROS中专门用来保存和回放话题中数据的文件，可以将一些难以收集的传感器数据用数据包录制下来，然后反复回放来进行算法性能调试。
参数服务器能够为整个ROS网络中的节点提供便于修改的参数。参数可以认为是节点中可供外部修改的全局变量，有静态参数和动态参数。静态参数一般用于在节点启动时设置节点工作模式；动态参数可以用于在节点运行时动态配置节点或改变节点工作状态，比如电机控制节点里的PID控制参数。
ROS程序的不同组件要放在不同的文件夹中，这些文件夹根据不同的功能对文件进行组织，这就是ROS的文件系统结构，如下图所示。
工作空间是一个包含功能包、编译包和编译后可执行文件的文件夹，用户可以根据自己的需要创建多个工作空间，在每个工作空间中开发不同用途的功能包。在上图中，我们创建了一个名为catkin_ws的工作空间，其中包含src、build和devel三个文件夹。
功能包是ROS中软件组织的基本形式，具有创建ROS程序的最小结构和最少内容，它包含ROS节点源码、脚本、配置文件等。
ROS是开源软件，各个独立的网络社区分享和贡献软件及教程，形成了强大的ROS开源社区，如下图所示。
ROS的发展依赖于开源和共享的软件，这些代码由不同的机构共享和发布，比如GitHub源码共享、Ubuntu软件仓库发布、第三方库等。ROS的官方wiki是重要的文档讨论社区，在里面可以很方便地发布与修改相应的文档页面。ROS的answer主页里有大量ROS开发者的提问和回答，对ROS开发中遇到的各种问题的讨论很活跃。
再开始安装之前，强烈建议大家更新一下系统源（很多基础环境包都将从这里下载并安装）。我这里使用了阿里的源，更新方法如下：
首先需要备份一下原始的源列表文件
sudo cp -rf /etc/apt/sources.list /etc/apt/sources.list.bak
然后开始编辑源列表文件：
sudo gedit /etc/apt/sources.list
将sources.list中原本的内容都删除，然后填入以下的内容后保存：
deb http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ jammy main restricted universe multiverse
deb-src http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ jammy main restricted universe multiverse
deb http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ jammy-security main restricted universe multiverse
deb-src http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ jammy-security main restricted universe multiverse
deb http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ jammy-updates main restricted universe multiverse
deb-src http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ jammy-updates main restricted universe multiverse
deb http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ jammy-proposed main restricted universe multiverse
deb-src http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ jammy-proposed main restricted universe multiverse
deb http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ jammy-backports main restricted universe multiverse
deb-src http://mirrors.aliyun.com/ubuntu/ jammy-backports main restricted universe multiverse
注意：虽然同为阿里源，但也有针对系统的不同源版本，我的Ubuntu系统是jammy版本，阿里源也应该是这个版本。然后根据这个源更新自己系统里的软件：
sudo apt-get update
sudo apt-get upgrade
这个过程应该要挺久，但运行完毕不应该报错才行，有任务错误请自行度娘。
然后就是根据官方的教程进行ROS2的安装。官方的安装教程链接如下：
https://docs.ros.org/en/humble/Installation.html
在ROS2官方的文档中，安装ROS2之前需要首先检查操作系统语言环境。官方解释：确保你有一个支持UTF - 8的语言环境。如果你处在一个极小的环境(例如一个Docker容器)中，那么这个语言环境可能和POSIX一样是极小的。我们通过以下设定进行检验。
我们可以Ctrl+Alt+T调出终端，输入locale检查是否支持 UTF-8，若不支持，则需要继续执行下边的指令进行设置:
locale # 检查是否支持 UTF-8
sudo apt update && sudo apt install locales
sudo locale-gen en_US en_US.UTF-8
sudo update-locale LC_ALL=en_US.UTF-8 LANG=en_US.UTF-8
export LANG=en_US.UTF-8
locale # 验证设置是否正确
在设置ROS2软件源之前，我们需要首先启动Ubuntu universe存储库，启动Ubuntu universe存储库我们可以通过打开终端通过命令行进行操作。
根据官方文档，我们可以在命令行输入下面的指令来进行Ubuntu universe存储库的启动：
sudo apt install software-properties-common
sudo add-apt-repository universe
通过下面的命令，首先将ROS 2 apt存储库更新添加到系统，然后通过apt授权ROS 2的GPG密钥：
sudo apt update && sudo apt install curl
sudo curl -sSL https://raw.githubusercontent.com/ros/rosdistro/master/ros.key -o /usr/share/keyrings/ros-archive-keyring.gpg
然后通过以下指令，将存储库添加到我们的源列表中。
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' | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/ros2.list > /dev/null
设置完存储库后，首先通过下面的指令更新apt存储库缓存
sudo apt update
由于ROS 2建立在频繁更新的Ubuntu系统上。所以官方建议在安装新的软件包之前确保您的系统是最新的。我们可以通过下面的指令更新升级已安装的软件
sudo apt upgrade
ROS安装版本选择及安装指令：
sudo apt install ros-humble-desktop
sudo apt install ros-humble-ros-base
这里我们安装桌面版ROS2 ，输入以下的安装指令即可：
sudo apt install ros-humble-desktop
官方文档给出了环境配置的方法，在终端下执行ROS2程序之前，要调用下面的命令进行环境配置，才可正确执行程序
# Replace '.bash' with your shell if you're not using bash
# Possible values are: setup.bash, setup.sh, setup.zsh
source /opt/ros/humble/setup.bash
对于官方的环境配置方法，由于每次打开新的终端，都需要进行环境的配置，这降低了开发和测试的效率，为了避免每次打开新的终端都进行环境配置这个问题，我们可以将配置环境指令通过下面的指令写入 ”~/.bashrc“ 文件，那么每次新启动终端时，就不需要在手动配置环境：
# 将配置环境指令通过下面的指令写入 ”~/.bashrc“ 文件
echo 'source /opt/ros/humble/setup.bash' >> ~/.bashrc
# 查看”~/.bashrc“ 文件
sudo gedit ~/.bashrc
至此，我们完成了ROS2的安装与环境配置，接下来我们进行ROS2的环境测试。
我们需要以此打开两个终端窗口，各输入以下一条指令。
启动第一个终端，通过以下命令启动一个数据的发布者节点：
ros2 run demo_nodes_cpp talker
启动第二个终端，通过以下命令启动一个数据的订阅者节点：
ros2 run demo_nodes_py listener
如果“Hello World”字符串在两个终端中正常传输，说明通信系统没有问题。如下所示：
在我们安装的ROS2桌面完整版中，内置了一些案例，我们可以运行这些案例来测试ROS2的安装与配置是否正常。在这里，我们选用ROS2经典的小乌龟案例来进行演示，实操如下：
使用快捷键'Ctrll+Alt+T’分别打开两个终端，并分别输入下面两个命令：
# 启动第一个终端
# 启动乌龟GUI节点界面，乌龟可以在界面中运动
ros2 run turtlesim turtlesim_node
# 启动第二个终端
# 启动键盘控制节点，可以通过键盘控制乌龟运动
ros2 run turtlesim turtle_teleop_key 运行效果的界面如下：
本文初步完成了ROS基本概念的学习，并完成了安装和简单测试。后续将继续基于ROS和Carla，完成自定义节点的设置，并集成其他平台的开源自动驾驶算法，以搭建更为完善的自动驾驶仿真测试平台，欢迎大家持续关注。
联系客服
