【ROS2】为什么要使用ROS2？《ROS2系统特性介绍》

一、为什么要推出ROS2？

2010年，ROS1首次发布正式版本，其研发的初衷是为设计PR2（个人服务型机器人）共用的软件架构。但随着ROS1技术的普及，ROS1开始广泛融入各领域无人系统的研发，陆续暴露了系统的诸多问题。为了适应新时代机器人研发的需要，2022年5月，ROS开发者团队推出新版本ROS2。

（一）ROS1的诞生

2007年，斯坦福大学学生为开发PR2（个人服务型机器人）共用的软件架构，设计ROS的原型。2010年，Willow Garage公司推出ROS1的首个发行版。

（二）ROS1存在的问题

ROS1最早的设计目标：针对家庭服务机器人PR2，设计一款共用开发的软件架构。

（1）PR2特点

• 体积大，算力充足：它搭载了工作站级别的计算平台和各种先进的通信设备，不用担忧算力不够，有足够的实力支持各种复杂的实时运算和处理；
• 通讯可靠：由于是单兵作战，通信绝大部分都自己内部完成，那就可以用有线连接，保证了良好的网络连接，没有丢数据或者黑客入侵的风险；
• 实验室产品，没有工程应用：这台机器人最终虽然小批量生产，但是由于高昂的成本和售价，也只能用于学术研究。
  

（2）ROS1存在问题

随着ROS1技术的普及，ROS1融入各领域无人系统的研发。原本仅针对PR2设计的软件架构，就出现诸多问题：

• 资源需求大：需要在资源有限的嵌入式系统中运行；
• 系统抗干扰差：要在有干扰的地方保证通信的可靠性；
• 产品应用差：要做成产品走向市场，甚至用在自动驾驶汽车和航天机器人上。

（三）ROS2设计思路

（1）ROS2针对场景

• 多机器人系统：ROS2为多机器人系统的应用提供了标准方法和通信机制。
• 跨平台：机器人应用场景不同，使用的控制平台也会有很大差异，为了让所有机器人都可以运行ROS2，ROS2可以跨平台运行于Linux、Windows、MacOS、RTOS，甚至是没有任何系统的微控制器（MCU）上。
• 实时性：机器人运动控制和很多行为策略要求机器人具备实时性，比如机器人要可靠得在100ms内发现前方的行人，或者稳定的在1ms周期内完成运动学、动力学的解算，ROS2为类似这样的实时性需求提供了基本保障。
• 网络连接：无论在怎样的网络环境下，ROS2都可以尽量保障机器人大量数据的完整性和安全性，比如在wifi信号不好的时候数据也要尽力发送过去，在有黑客入侵风险的场景下要对数据进行加密解密。
• 产品化：大量机器人已经走向我们的生活，未来还会越来越多，ROS2不仅可以用于机器人研发阶段，还可以直接搭载在产品中，走向消费市场，这对ROS2的稳定性、强壮性也提除了巨大挑战。
• 项目管理：机器人开发是一个复杂的系统工程，设计、开发、调试、测试、部署等全流程的项目管理工具和机制，也会在ROS2中体现，更方便我们去开发一款机器人。

（2）设计思路

ROS开发团队从长远角度考虑，选择推翻ROS1的软件架构，设计全新的ROS2操作系统。对系统架构、软件代码、系统编译均做出全面升级。

• 系统架构：借助DDS通信架构，实现系统分布式
• 软件接口：ROS2结合C++和Python3的最新标准，重新设计API接口
• 系统编译：对大工程和python工程，更加友好。
  

二、ROS2系统特性

（一）系统架构

• 进程管理：在ROS1中，需要开启中央节点管理器Master，统一管理所有节点。如果Master节点出现故障，将严重影响ROS系统功能。在ROS2中，系统引入节点自发现机制，可有效提高系统鲁棒性。
• 进程内通信：进程内部进行通信，ROS1和ROS2均采用共享内存的方式。
• 进程间通信：在ROS1中，进程间进行通信主要依赖于底层的TCP\UDP协议，但是在ROS2中，引入复杂的DDS系统。

（二）通信架构

ROS1是基于TCP/UDP通信系统，具有高延迟、丢数据、无法加密等特点。而ROS2在通信层面使用DDS通信协议。
DDS是物联网中一种通信协议，具有多个版本，DDS是一个国际标准，能够实现该标准的软件系统并不是唯一的。多个厂家可以提供的DDS系统，比如OpenSplice、FastRTPS等，每一家的性能不同，适用的场景也不同。
每一个厂家的软件接口是不同的，为了解决这个问题，ROS2设计了一个ROS Middleware，简称RMW，也就是指定一个标准的接口。比如如何发数据，如何收数据，数据的各种属性如何配置，都定义好了，如果厂家想要接入ROS社区，就得按照这个标准写一个适配的接口，把自家的DDS给移植过来，这样就把问题交给了最熟悉自家DDS的厂商。对于我们这些用户来讲，某一个DDS用的不爽，只要安装另一个，然后做一个简单的配置，程序一行的都不用改，轻松更换底层的通信系统。
对于开发者，在产品研发阶段，可以使用开源的DDS满足产品基本需求，在部署交付阶段，可以更换到更加稳定的DDS版本，以减小开发成本。
（三）核心概念
为了ROS开发者开发的延续性，ROS2保留了ROS1的基本概念。

ROS2系统学习，可参考：古月居ROS2入门21讲