ROS高效入门第一章 -- ROS历史与现状

1 资料

（1）本文资料主要来自《ROS史话36篇》，在古月居连载，这篇文章很好地梳理了ROS乃至机器人产业的发展历史，可以让我们很快了解到ROS和机器人发展的方方面面，包括技术，商业场景等等。
（2）ROS史话36篇：https://www.guyuehome.com/Blog/index/_cate/ros-history/category/13/p/2

2 读后整理

2.1 此岸与彼岸

（1）主要介绍美国东西海岸研究机器人的几个重点大学。文中提到了斯坦福和硅谷，就是下面这片地方。

（2）文中特别提到了世界知名的宾夕法尼亚大学机器人实验室（GRASP：General Robotics, Automation, Sensing and Perception）负责人维杰·古玛（Vijay Kumar）在 TED 的演讲，这里是视频链接：https://www.ted.com/talks/vijay_kumar_robots_that_fly_and_cooperate

2.2 柳树街68号

（1）硅谷有个柳树路（Willow Road），有很多知名公司，而ROS就起源于柳树街68号的“柳树车库”公司。这个公司致力于研发个人服务机器人，而不是传统的工业机器臂，ros就从这里走出来。其实这地方不是车库，是个别墅，但老外喜欢车库创业，改变世界的故事，比如惠普。

2.3 机器人毕业舞会，PR2的缔造者，ROS的起源，ROS被OSRF托管，ROS开发者大会

（1）2010年5月26日，柳树车库研发了一个机器人叫PR2（Personal Robot，个人机器人2代），并把他们送给了全世界11个机器人研究单位。

（2）ROS是PR2项目其中的软件部分，柳树一开始就准备把ros做成开源的，2010年，柳树正式推出ROS1.0。

（3）ROS最初的理念，在论文《ROS: An Open-Source Robot Operating System》中进行了表述：
ROS is not an operating system in the traditional sense of process management and scheduling; rather, it provides a structured communications layer above the host operating systems of a heterogenous compute cluster. （译文：ROS不是传统意义上的操作系统，不是用于进程管理和调度，而是构建在其它操作系统之上的一种结构化的通讯层。）
（4）经过几年发展，柳树一时半会找不到盈利点，因此，2012年柳树车库成立了开源机器人基金会（OpenSource Robotics Foundation，简称OSRF），是一个非盈利机构，通过接受企业捐款运行。自此以后，OSRF接收ROS一切事宜。
（5）2012年5月，OSRF举办第一届ROS开发者大会（ROSCon），在美国明尼苏达州，圣保罗市，此后每年举办一届。ROS之父的摩根·奎格利，做了《ROS的昨天，今天，明天》报告。大卫·鲁（David Lu）介绍了URDF（统一的机器人描述格式），一种特殊的XML文件，用来定义机器人关节间的相对关系和位姿。万·苏坎（Ioan Sucan）介绍了Moveit!，是工业机器人操控的开发平台，后被广泛使用。

2.4 ROS乌龟的起源，乌龟机器人，乌龟设计师，ROS的名字和乌龟帮，ROS第一只乌龟

（1）ros的标志是个小乌龟，turtle，每一版ros，都有一个新乌龟logo。之所以选乌龟，是因为柳树好多人从小就玩一个面向儿童的编程语言LOGO，里面就有一个小乌龟，供人操控。
（2）1948年，美国人瓦尔特制作了一个形似乌龟的机器人，这是人类历史上第一个自主移动的机器人。后来MIT的实验室也搞过一个像乌龟的机器人。于是，乌龟就慢慢成了机器人的代名词了。

（3）ros乌龟的设计师是乔许·埃林森（Josh Ellingson），下面是各个ros版的乌龟。

（4）ROS的全名是机器人操作系统，这个名字其实是有歧义的，其严格来说是个分布式的通信框架，当时柳树也想了好多名字，直到申请了ros.org的域名，于是讨论停止了。
（5）ROS的每一版名称是按照英语字母顺序，取字母表中对应的字母依次命名。第一版ROS叫B ROS，即Box ROS，后面是C，D，E。为了取名，OSRF还成立了ROS取名委员会。这个是ros的版本历史链接：http://wiki.ros.org/Distributions
（6）ROS的第一版Box Turtle完全是为PR2设计的，时间是2010年。打造PR2机器人的那些人，在柳树解体后，创办了远程远程会议替身机器人和酒店服务机器人，以及仓储机器人，码垛机器人等等。这些机器人目前都有不错的应用，而他们都是从ROS衍生出来的。

2.5 ROS导航与hiDOF，ROS之可视化rviz

（1）机器人最重要的能力是自主移动，而自主移动依赖导航。ros的导航软件包作者是埃坦•马德-爱泼斯坦(Eitan Marder-Eppstein)。
（2）导航的目的是让机器人从初始位置A到目标位置B，中间不与周边环境碰撞。实现这个目标需要：路径规划软件，其依赖地图构建软件，其又依赖激光雷达。还需要的传感器包括轮速传感器，IMU惯导，GPU定位等。

（2）ROS导航软件包里有各种常见算法，包括SLAM建图算法，A*和Dijkstra规划算法，AMCL自适应蒙特卡洛定位算法等，可以直接调用。
（3）ros导航软件包作者后来成立了hiDOF机器人自动化软件咨询公司，后来被谷歌收购。
（4）rviz是ros官方的3D可视化仿真工具，支持以可视化的方式显示ros消息，包括各种传感器数据，机器人模型，坐标变换TF等，很强大。

2.6 ROS阿C龟-诺亚方龟，ROS之物体操控manipulation

（1）2010年8月，ros第二个版本C turtle发布，从这里可以看出ros要统治各个机器人领域，包括无人驾驶汽车，而事实上无人驾驶汽车也是一种机器人，也大量使用ros进行开发。

（2）ROS C-turtle版增加了机器人抓取软件包，用来检测物体，用机器手臂进行抓取，包名叫manipulation。下图的二位是这个软件包的作者，凯仁·萧（Kaijen Hsiao）和马泰·乔卡列（Matei Ciocarlie）。从这里出发，衍生出了码垛机器人领域，国内有个星猿哲科技 (XYZ Robotics) 。

2.7 ROS飞天金刚龟与视觉传感器

（1）2011年3月，ros D版本发布，菱背龟（Diamondback），此时已经有很多机器人公司加入ros，提供各自机器人的驱动。

（2）2010年微软推出了带深度相机的XBox，深度相机是Kinect，这个东西后来被各个研究机构使用，ROS也进行了支持，提供这个设备的驱动。下图就是Kinect，中间的摄像头为RGB彩色摄像头，左右两个分别为红外发射器和红外CMOS接收器，从而构成深度传感器，获取深度数据，即可视范围内物体到相机的距离。从这些深度数据，可以计算出3D点云（Point Cloud）。此时ROS加入了点云库（Point Cloud Library, PCL）

（3）PCL是开源的点云处理软件，包括大量与点云相关的算法，包括显示点云数据，滤波，分割，特征提取，配准，重建等等，其在3D点云的地位等于OpenCV在图像处理的地位。PCL也是柳树衍生出来的，作者是莱度·茹苏（Radu B. Rusu），当时点云处理已经在逆向工程里广泛应用了，只是没人开源出来。

2.8 ROS之OpenCV，ROS之KDL

（1）OpenCV（Open SourceComputer Vision Library：http://opencv.org）是C/C++实现的开源计算机图像处理库，作者是盖里·布拉德斯基（Gary Bradski），其在intel工作时开发的，作者还写了著名的《Learning OpenCV》。他搞这个的初衷就是为了不重复造轮子。

（2）ros加之了openCV，改进了易用性，通过vision_opencv的软件包，用户可以方便的在ros使用opencv。包括两部分：一是cv_bridge负责将OpenCV下的图像类型转换为ROS图像消息，二是image_geometry软件包可用来校正图像，将ros接收到的校准参数，送给opencv图像校正函数使用。
（3）ros后来把底层的库拆开，不再统一维护，而由贡献者各自维护，比如KDL，Kinematics-Dynamics Library的缩写，意为“运动学-动力学库”，由欧洲大学的研究人员开发。

2.9 ROS乌龟帮，ROS与Windows，ROS之Gazebo，ROS之编译系统，ROS之皆大欢喜（Player与Stage），ROS驱动DARPA挑战赛，ROS之MoveIt!

（1）ROS各版本名字：Box turtle（箱龟，2010.3），C turtle（阿C龟，2010.8），菱背龟（Diamondback，2011.3），ElectricEmys（鸡血泽龟，2011.8），Fuerte Turtle（大力神龟，2012.4），Groovy Galapagos（加拉帕戈斯象龟，2012.12）（这一版ros引入catkin编译系统，catkin的意思是“柳树上结的尾状花絮“），Hydromedusa（南美蛇颈龟，2013.9），Indigo Igloo（青色冰屋，2014.7）（这一版以后，ROS交给OSRF，成员们开始了全球的机器人创业大潮，中国也遍地开花，时间是2014~2015年），Jade Turtle（翡翠龟，2015.5），Kinetic Kame（动感神龟2016.5），Lunar Loggerhead（登月大头龟，2017.5），Melodic Morenia（优雅的孔雀龟，2018.5）
（2）ROS越来越火了，于是很多window开发人员也想用ROS，而且是在windows上，微软也提供了一些支持，比如WSL（Windows Subsystem for Linux），适用于Windows的ROS1实验版等。但是作为中国开发者，仍然建议在ubuntu上玩ros，且最好是纯ubuntu系统，而不是虚拟机或者wsl。
（3）Gazebo是一个机器人三维仿真软件，可以与ros配套使用，也可以单独使用。其作者是OSRF的创始人之一。Gazebo支持物理元素的仿真，比如重力，摩擦力等，应用非常广泛
（4）ros是一个非常大的软件系统，C，C++，python，把五花八门的软件包组织编译起来，相当麻烦，其编译系统也经过几次更新：rosbuild --> catkin --> ament(ros2)，至少前两个是基于cmake实现的。
（5）player用于控制机器人设备和传感器；Stage是一个二维的机器人仿真环境。
（6）2015年，DARPA举办了一届机器人挑战赛，23支进入决赛的队伍，18支使用ros，14支使用Gazebo进行仿真，ros成功了。但是比赛的冠军不是美国的队伍，而是韩国。而中国的中科院合肥和香港大学，要么没进决赛，要么垫底，因此机器人方向，中国人要学的还有很多。
（7）MoveIt源于ROS的机械臂导航软件包arm_navigation，最早是用于PR2上，现已成为工业机器人，机械臂上使用最多的开源操作软件。MoveIt!降低了对ros的依赖，代码复用效率更高。传统的工业机器人是固定的程序，不感知周边环境，而MoveIt可以支持机器人对周围进行建模，并自主规划移动路径，并动态调整，从而实现与人协作。

2.10 TurtleBot的故事，TurtleBot背后的女人，TurtleBot背后的男人，TurtleBot的演变，ROS之IPI，秘密项目PlatformBot爱与恨，从非盈利组织OSRF到企业化的OSRC，实习生计划，柳树车库系繁花盛叶

（1）由于ros是机器人软件，因此学习ros最好有个机器人。ros最开始的PR2太贵了，难以大量推广，因此柳树设计了一个简易机器人平台，使用东拼西凑的硬件，即TurtleBot，软硬件开源。其中计算平台使用华硕笔记本，相机使用微软Kinect深度相机，运动设备使用扫地机器人iRobot Create，于是TurtleBot火了。

（2）TurtleBot是图利·弗特（Tully Foote）和麦罗尼·威瑟（Melonee Wise）发明的。麦罗尼·威瑟（女）（Melonee Wise）是柳树二号员工，多次创业，并领导ROS实习生计划。图利·弗特（Tully Foote）是OSRF ROS开发负责人，热衷无人车比赛，相信他也使用了ros在无人车上，专业是机械工程，机械当自强！

（3）TurtleBot火了以后，有个韩国公司愿意接着搞，于是就有了TurtleBot家族，其中TurtleBot3是最新的。

（4）IPI，即Industrial Perception, Inc.工业感知公司，是柳树孵化的一家码垛机器人公司，面向未来电子商务物流，利用视觉技术辅助货物的装卸，物品分拣，上下物料，后来被谷歌收购。
（5）发明TurtleBot的麦罗尼·威瑟，领导柳树的PlatformBot项目，建造售价10000美元的服务机器人，但是没啥结果。麦罗尼·威瑟后来离开柳树，创办了Fetch Robotics，做一整套的智能仓储机器人，这个领域的最早火的是亚马逊的Kiva，如下图。

（6）2016年，开源基金会OSRF接受了丰田一百万美金的捐助，并与丰田成立以盈利为目的开源机器人公司（OSRC），这听起来有点奇怪。丰田希望OSRC能帮助丰田研究自动驾驶。
（7）柳树和OSRF非常重视扩大ROS影响力，其中一个重要项目就是实习生计划，此后这些人形成了柳树系，对机器人行业产生了重大影响，这些人即使贡献者，也是布道者。
（8）现状柳树车库直接衍生出的公司正在改变着世界，现在ROS已经是事实上的机器人领域的普遍标准，就像unix对于OS，TCP/IP对于网络协议，ros也已是机器人工程师的必备技能了，包括自动驾驶工程师，必须要掌握！

3 总结

虽然《ROS史话36篇》总体结构不是很好，有点碎，但是不妨碍我们通过这篇文章了解ros和机器人发展历史，这些是深入学习ros的重要背景知识，可以形成对机器人行业的大局意识。

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