ROS：什么是ROS2

ROS的问题

ROS的设计目标是简化机器人的开发，如何简化呢？ROS为此设计了一套通信机制（话题、服务、参数、动作）

通过这些通信机制，ROS实现了将机器人的各个组件连接起来，所有节点(即组件)的通信建立必须经过主节点Ros Master

一旦Ros Master主节点挂掉后，就会造成整个系统通信的异常,此时避障策略将会失效，如果机器人正在运行，碰到障碍物会径直装上去，机毁人亡！

除了不稳定这个问题，ROS还有很多其他地方存在着问题：

• 通信基于TCP实现，实时性差、系统开销大
• 对Python3支持不友好，需要重新编译
• 消息机制不兼容
• 没有加密机制、安全性不高

ROS与ROS2架构对比？

所以在ROS2中，首当其冲的将ROS的主节点干掉了，这里放一张网上流传最广的ROS/ROS2架构图

OS层

从原来的只支持linux平台变成了支持windows、mac甚至是嵌入式RTOS平台

中心层

那么中间层ROS2到底相对于ROS做了哪些优化呢？

• 去中心化master：
  • ROS和ROS2中间件不同之处在于，ROS2取消了master节点。
  • 去中心化后，各个节点之间可以通过DDS的节点相互发现，各个节点都是平等的，且可以1对1、1对n、n对n进行互相通信。
• 不造通信的轮子：
  • 通信直接更换为DDS进行实现
  • 采用DDS通信，使得ROS2的实时性、可靠性和连续性上都有了增强。

应用层

对于应用层来说ROS2也做了很大的改进，上面那张图没有体现出来。

ROS2进行改进有：

• python2到pyhton3的支持
• 编译系统的改进（catkin到ament）
• C++标准更新到c++11
• 可以使用相同 API 的进程间和进程内通信

ROS2系统架构

操作系统层

操作系统层比较好理解，ROS2本身就是基于Linux、Windows或者macOS系统建立的，驱动计算机硬件、底层网络通信等实现都是交由操作系统来实现的。

DDS实现层

DDS是什么？

DDS，全称 Data Distribution Service (数据分发服务)。是由对象管理组 (OMG) 于 2003 年发布并于 2007 年修订的开分布式系统标准。

通过类似于ROS中的话题发布和订阅形式来进行通信，同时提供了丰富的服务质量管理来保证可靠性、持久性、传输设置等。

一文读懂“数据分发服务DDS”（Data Distribution Service，RTPS，OMG）_DDS数据分发服务的博客-CSDN博客_corba dds

DDS实现层用来做什么

DDS实现层其实就是对不同常见的DDS接口进行再次的封装，让其保持统一性，为DDS抽象层提供统一的API。

抽象DDS层-RMW

这一层将DDS实现层进一步的封装，使得DDS更容易使用。原因在于DDS需要大量的设置和配置（分区，主题名称，发现模式，消息创建,…），这些设置都是在ROS2的抽象层中完成的。

ROS2客户端库 RCL

RCL（ROS Client Library）ROS客户端库，其实就是ROS的一种API，提供了对ROS话题、服务、参数、Action等接口。

ROS2客户端库

ROS的客户端库就是上面所说的RCL，不同的语言对应着不同的rcl，但基本功能都是相同的。

比如Python语言提供了rclpy来操作ROS2的节点话题服务等，而C++则使用rclcpp提供API操作ROS2的节点话题和服务等。

所以后面我们使用Python和C++来编写ROS2节点实现通讯等功能时，我们就会引入rclpy和rclcpp的库。

上面这张图时ROS2，API的实现层级，最新下面的是第三方的DDS，rmw（中间件接口）层是对各家DDS的抽象层，基于rmw实现了rclc，有了rclc，我们就可以实现各个语言的库，大家都知道C语言是各个语言的鼻祖（汇编除外）所以基于rclc，ROS2官方实现了rclpy和rclcpp.

基于rclpy和rclcpp我们就可以实现上层的应用了

应用层

应用层就是我们写代码以及ROS2开发的各种常用的机器人相关开发工具所在的层了。后面我们写的所有代码其实都是属于这一层的。

ROS2中间件DDS架构

中间件

中间件是什么

中间件就是介于某两个或者多个节点中间的组件。干嘛用的呢？

就是提供多个节点中间通信用的。

ROS中间件VS ROS2中间件

• ROS1中间件：
  • ROS1的中间件是ROS组织自己基于TCP/UDP机制建立的，为了维护该部分ROS1组织花费了大量的精力，但是依然存在很多问题。
• ROS2中间件：
  • ROS2采用了第三方的DDS作为中间件，将DDS服务接口进行了一层抽象，保证了上层应用层调用接口的统一性。
  • 基于DDS的互相发现协议，ROS2终于干掉了ROS1中的Master节点。

DDS和ROS2架构

ROS2为每家DDS供应商都开发了对应的DDS_Interface即DDS接口层，然后通过DDS Abstract抽象层来统一DDS的API。

DDS的优势与劣势

优势：

• 发布/订阅模型：简单解耦，可以轻松实现系统解耦
• 性能：在发布/订阅模式中，与请求/回复模式相比，延迟更低，吞吐量更高。
• 远程参与者的自动发现：此机制是 DDS 的主要功能之一。通信是匿名的、解耦的，开发者不必担心远程参与者的本地化
• 丰富的 Qos 参数集，允许调整通信的各个方面：可靠性、持久性、冗余、寿命、传输设置、资源…
• 实时发布订阅协议 ( RTPS )：该协议几乎可以通过任何传输实现，允许在 UDP、TCP、共享内存和用户传输中使用 DDS，并实现不同 DDS 实现之间的真正互操作性。

劣势：

• API复杂，DDS 的灵活性是以复杂性为代价的
• 系统开销相对较大
• 社区支持问题，但ROS2近两年来使用DDS后社区表现还是不错的。

ROS2使用DDS的几个理由

• DDS已经应用在军事、潜艇各个领域，稳定性实时性经过实际检验。
• 使用DDS需要维护的代码要少得多，可以让ROS2开发人员腾出手专注机器人开发。
• DDS有定义好的行为和规范并且有完善的文档。
• DDS提供了推荐的用例和软件API，有较好的语言支持。