AcmeROS-2-ROS2架构

在前面的分享中，我们讲了

在嵌入式设备中运行ROS2

AcmeIot-3-在嵌入式设备中运行ROS2

PX4中的ROS2桥接应用

PX4-16-ROS2Bridge

在AcmeGCS中支持ROS2

AcmeGCS-18-支持ROS2

我们在嵌入式设备、飞控与地面站软件中都应用ROS2作为通信框架，如图所示：

在之后的分享中我们将分享一些关于ROS2的内容，在深入了解ROS2的细节或者开始使用ROS2前，大致了解它的框架有助于对ROS2有一个更清晰的了解。

ROS从ROS1升级到ROS2对框架进行了彻底的重构，框架对比如图所示：

上图所示是ROS2与ROS1整体架构的对比：

• ROS1主要构建于Linux系统之上，但是ROS2带来了改变，支持构建的系统包括Linux、windows、Mac、RTOS，甚至没有操作系统的裸机。

• ROS1的通讯系统基于ROS团队自己开发的TCPROS/UDPROS，强依赖于master节点的处理，可以想像master一挂，整个系统会面临如何的窘境。但是从右边ROS2的架构中我们可以发现，ROS2的通讯系统是基于工业的通信标准DDS，ROS2内部提供了DDS的抽象层实现，可以使用多种DDS的实现，如Fast-DDS、Cyclone-DDS。

• ROS中最重要的一个概念就是“节点”，基于发布/订阅模型的节点使用，可以让开发者并行开发低耦合的功能模块，并且便于进行二次复用。得益于DDS的加入，ROS2的发布/订阅模型也发生改变。

• ROS1和ROS2中两个很重要的独立模块，那就是“Nodelet”和“Intra-process”。在ROS1的架构中Nodelet和TCPROS/UDPROS是并列的层次，当然也是负责通讯的，实际上Nodelet是为同一个进程中的多个节点提供一种更优化的数据传输方式。ROS2中也保留了这种数据传输方式，只不过换了一个名字，叫“Intra-process”，同样也是独立于DDS。

我们通过两张图大致了解一下ROS1和ROS2的通信机制：

ROS1的通信机制图：

我们不深入展开这张图的细节，可以发现ROS1对master节点的依赖。

ROS2的通信机制图：

在这个图中，有一些DDS的概念：

• 参与者（Participant）

  在 DDS 中，每一个发布者或者订阅者都成为参与者，对应于一个使用 DDS 的用户，可以使用某种定义好的数据类型来 读/写 全局数据空间。

• 发布者（Publisher）

  数据发布的执行者，支持多种数据类型的发布，可以与多个数据写入器（DataWriter）相联，发布一种或多种主题（Topic）的消息。

• 订阅者（Subscriber）

  数据订阅的执行者，支持多种数据类型的订阅，可以与多个数据读取器（DataReader）相联，订阅一种或多种主题（Topic）的消息。

• 数据写入器（DataWriter）

  上层应用向发布者更新数据的对象，每个数据写入器对应一个特定的Topic，类似于ROS 1中的一个消息发布者。

• 数据读取器（DataReader）

  上层应用从订阅者读取数据的对象，每个数据读取器对应一个特定的Topic，类似于ROS 1中的一个消息订阅者。

• 话题（Topic）

  和 ROS 1 中的概念类似，话题需要定义一个名称和一种数据结构，但 ROS 2 中的每个话题都是一个实例，可以存储该话题中的历史消息数据。

• 质量服务原则（Quality of Service）

  简称 QoS Policy，这是 ROS 2 中新增的、也是非常重要的一个概念，控制各方面与底层的通信机制，主要从时间限制、可靠性、持续性、历史记录这几个方面，满足用户针对不同场景的数据需求。

下图是ROS2的API框架：

通过这个框架图，我们可以发现在ROS2编程中常常接触的包的关系：

• ROS2客户端库：rclcpp、rclpy、rcljava、rcl

• ROS2 DDS抽象层：rmw

• DDS层：Fast-DDS、Cyclone-DDS等

本文参考了ROS2的官方文档以及一些网友的blog，同学们也可以阅读一下。

ROS2官方文档：https://docs.ros.org/en/humble/index.html

网友的blog：https://blog.csdn.net/qq_28087491/article/details/119053810

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