ROS2入门之基本介绍

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前言

2017年机器人开源操作系统软件ROS 2终于推出首个正式版，新版本命名为“Ardent Apalone”，代号“ardent”。

ROS2是新的ROS版本，相比较ROS1更加接近工业化场景，更加稳定，功能更加丰富。我们在安装学习之前先了解一下ROS2的基础结构。

ROS和ROS2架构区别

架构图（ROS2中没有了master中心节点了）

ROS的数据发布与订阅

ROS2的数据发布与订阅

ROS2与DDS的关系

ROS2是建立在以DDS/RTPS为中间件的基础之上的，DDS/RTPS提供了发现（discovery）、序列化（serialization）以及数据传递（transportation）的功能。

什么是DDS（Data Distribution Service）

DDS（Data Distribution Service）是一种工业标准，它由各种不同的vendors实现。DDS是一种端对端的中间件，它可以提供ROS系统中的一些相关特性，比如说分布式发现（distributed discovery），非ROS1中的集中式发现方法，以及在不同的质量服务选项（“Quality of Service” options）中控制数据传输。

为了在ROS2中使用一个DDS/RTPS实现，ROS2中设计了ROS Middleware interface（或简称RMW） 的软件包，它可以实现在使用DDS/RTPS API或工具时对ROS中间件接口的抽象，使用RMW来支持DDS的过程需要做很多实现和维护性工作，首先实现对一部分DDS的支持可以保证ROS2的框架代码不再需要尝试其他特殊的实现，同时用户也希望能将DDS与他们的应用工程分离开来。

DDS基于Domain ID在一个物理网络内切分为若干逻辑网络，在同一个域（domain）中的ROS2节点可以被自由发现并通信，在不同域中则不能互通，所有的ROS2节点默认使用domain ID 0，为避免消息混淆，同网络内运行ROS2的不同组的设备应该使用不同的domain ID，ROS_DOMAIN_ID有两种（short version / long version），正常使用推荐short version，在[0, 101]之间进行选择即可，long version则可以在[0, 232]之间进行选择。

DDS优点：

（1）DDS（Data Distribution Service）是基于以数据为核心的设计思想提出的，定义了描述网络环境下数据内容/交互行为和服务质量要求的标准技术。

（2）DDS (数据分发服务) 工业级别中间件，通信节点动态发现，用shared memory 方式使得通信效率变高。

（3）DDS 使所有节点的通信拓扑结构都依赖于P2P 自我发现模式，无master 中心节点。

（4）在该模型下分布式节点在网络上以发布或订阅的方式传输数据，节点可以是发布者或订阅者，或者既是发布者又是订阅者。

（5）网络中的数据对象用主题((Topic)做标识，分布式节点在全局数据空间中发布或订阅感兴趣的主题信息。

（6）各个节点在逻辑上无主从关系，点与点之间都是对等关系.通信方式可以是点对点、点对多、多对多等，在QoS的控制下建立连接，自动发现和配置网络参数。

DDS 缺点：

DDS 本身的资源消耗。

DDS 接口复杂。

DDS组成模型

（1）DDS内所有的成员都是Entity，DDS中的任两个Entity（实体角色）通信都必须在同一个Domain 内进行交互，即他们初始化时DomainID是同一个，并且不同Domain的DomainID必须唯一，Domain内的DomainParticipant是服务的入口点，任何DDS应用都需首先获取DomainParticipant，然后通过Domain Participant获取其他服务，如Publisher、Subscriber、Topic等。

（2）服务质量策略(QoS)，DDS规范定义了丰富的服务质量策略(Quality of Services Policies)，QoS是一种网络传输策略，应用程序指定所需要的网络传输质量行为，QoS服务实现这种行为要求，尽可能地满足客户对通信质量的需求，DDS定义QoS策略使其对复杂网络环境的适应性和鲁棒性大大增强，优化网络传输质量。

ROS2与ROS1的比较

ROS2中模块与ROS的区别

参与者（Domain Participant）：一个参与者Participant就是一个容器，对应于一个使用DDS的用户，任何DDS的用户都必须通过Participant来访问全局数据空间。

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）：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ROS1中的一个消息发布者。

数据读取器（DataReader）：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ROS1中的一个消息订阅者。

主题（Topic）：这个和ROS1中的Topic概念一致，一个Topic包含一个名称和一种数据结构。

QoS Policy：Quality of Service，质量服务原则，是负责数据质量的。QoS是DDS中非常重要的一环，控制了各方面与底层的通讯机制，主要从时间限制、可靠性、持续性、历史记录几个方面，满足用户针对不同场景的数据应用需求。

ROS的问题

• ROS1节点间的数据传递通过内存复制，大量 的系统资源浪费在通讯上，实时性也得到保障，
• ROS1通过一个核心的master节点管理所有节点间的通信，这就导致如果master节点 奔溃将会导致整个系统运行错误。

那么ROS2相比较ROS1具有哪些优势？

• 系统通信新能的提升：ROS2引入数据分发服务（DDS）通信协议，可以通过零拷贝的方式传递消息，节省了CPU和内存资源，增加通信的实时性。
• 资源管理和安全：ROS2 为托管启动，用户可以指定节点的启动顺序。
• 系统可靠性提升：ROS2可以去除ROS1中的中心节点管理器，改进对master节点的高度依赖的缺点。

ROS2对系统平台的延伸

ROS 1主要构建于Linux系统之上，主要支持Ubuntu。而ROS 2采用全新的架构，底层基于DDS(Data Distribution Service)通信机制，支持实时性、嵌入式、分布式、多操作系统。ROS 2支持的系统包括Linux、windows、Mac、RTOS，甚至是单片机等没有操作系统的裸机。

编译系统

ROS编译系统从初期使用的rosbuild，到groovy版本之后的catkin，再到ROS2中的ament，ROS2新的编译系统ament是一种元编译系统，用来构建组成应用程序的多个独立功能包，它并不是一个全新的东西，是catkin编译系统进一步演化的版本。在ROS 2中，只支持隔离的构建，即每个包都是独立构建的，安装空间可以是隔离的或合并的。

其他比较

• ROS 2广泛使用C ++ 11。而ROS 1的核心主要使用C ++ 03，在其API并没有使用C++ 11功能。
• ROS 2的Python版本至少为3.5，ROS 1的Python版本为2.7。
• 使用了新的编译系统Ament（ROS为Catkin）。
• ROS1可以通过rosbridge和ROS 2通信。

总结

实时性增强：发布的数据在结束前完成更新。

持续性增强：ROS1尽管存在数据队列的概念，但是还有很大的局限，订阅者无法接收到加入网络之前的数据；DDS可以为ROS提供数据历史的服务，就算新加入的节点，也可以获取发布的所有历史数据。

可靠性增强：通过DDS配置可靠性原则，用户可以根据需求选择性能模式（BEST_EFFORT）或者稳定模式（RELIABLE）。

参考文献

https://cloud.tencent.com/developer/article/1386970

https://www.guyuehome.com/35448