一文读懂自动驾驶中的机器人操作系统ROS

一.什么是机器人操作系统ROS

1.ROS（Robot Operating System）是一个操作系统

ROS是对机器人的硬件进行了封装，不同的机器人、不同的传感器，在ROS里可以用相同的方式表示（topic等），供上层应用程序（运动规划等）调用。

计算机OS与机器人OS对比示意图，图片引用自Nao

2.ROS是一种跨平台模块化软件通讯机制

ROS用节点（Node）的概念表示一个应用程序，不同node之间通过事先定义好格式的消息（Topic），服务（Service），动作（Action）来实现连接。

因为ROS本身是基于消息机制的，开发者可以根据功能把软件拆分成为各个模块，每个模块只是负责读取和分发消息，模块间通过消息关联。

3.ROS是一系列开源工具

很多知名的机器人开源库，比如基于quaternion的坐标转换、3D点云处理驱动、定位算法SLAM等都是开源贡献者基于ROS开发的。

二.机器人操作系统ROS特性

1.系统安全可靠

去中心化

ROS重要节点需要热备份，以便宕机时可以随时切换。主节点宕机后，备份节点被切换为主节点，并且用备份的主节点完成信息初始化。

实时监控和报警

对于运行的节点实时监控其运行数据，并检测到严重的错误信息时报警。

 基于ZooKeeper的监控和报警

节点宕机状态恢复

节点宕机的时候，需要通过重启的机制恢复节点，这个重启可以是无状态的，但有些时候也必须是有状态的，因此状态的备份格外重要。节点的宕机检测也是非常重要的，如果察觉到节点宕机，必须很快地使用备份的数据重启。

2.系统通信性能提升
由于无人驾驶系统模块很多，模块间的信息交互很频繁，提升系统通信性能会对整个系统性能提升的作用很大。

3.系统资源管理与安全性
如何解决资源分配与安全问题是无人驾驶技术的一个大课题。

三.ROS在自动驾驶上的应用

想要制造无人驾驶汽车，有很多关键问题需要解决。

怎么在车内搭建可靠的网络，如何管理内存、存储数据和日志记录，如何使传感器和计算机能够同时相互通信，以及如何确保它们都很稳定且安全。

机器人操作系统ROS为许多问题提供了开源解决方案。

要保证一个复杂的系统稳定、高效地运行，每个模块都能发挥出最大的潜能，需要一个成熟有效的管理机制。

在无人驾驶场景中，ROS提供了这样一个管理机制，使得系统中的每个软硬件模块都能有效地进行互动。原生的ROS提供了许多必要的功能，但是这些功能并不能满足无人驾驶的所有需求，因此我们在ROS之上进一步地提高了系统的性能与可靠性，完成了有效的资源管理及隔离。

我们相信随着无人驾驶技术的发展，更多的系统需求会被提出，比如车车互联、车与城市交通系统互联、云车互联、异构计算硬件加速等，我们也将会持续优化这个系统，力求让它变成无人驾驶的标准系统。