ROS 介绍

Robot Operating System (ROS, 机器人操作系统) 是专为机器人软件开发所设计出来的一套电脑操作系统架构。

介绍

• ROS 是一个开源的元级操作系统，2007 年 11 月，提供类似于操作系统的服务，包括硬件抽象描述、底层驱动程序管理、共用功能的执行、程序间消息传递、程序发行包管理，它也提供一些工具和库用于获取、建立、编写和执行多机融合的程序

  • ROS1 架构中，所有节点需要使用 Master 进行管理
  • ROS2 使用基于 DDS 的 Discovery 机制，解除了 Master 的中心化

• 相关技术

  • OpenCV
  • AMCL
  • TF
  • MoveIt
  • DWAPlanner
  • GlobaIPlanner
  • LocalPlanner
  • BahaviorTree
  • PointCloudLibrary
  • SMACH
  • Navigation
  • CostMap
  • Gazebo
  • OMPL

• 安装部署：http://wiki.ros.org/noetic/Installation

• ros2 相关代码：ros2_21_tutorials

• ros1 wpr_simulation

• 命令行 ros2 --help

• 核心概念

  • workspace 工作空间是存放项目开发文件的目录
    • src source space
    • build build space
    • install install space
    • log log space
  • node 节点是机器人的工作细胞
    • 支持使用不同语言开发
    • 分布式运行
    • 执行具体任务的进程，独立的可执行文件
    • 通过节点名称管理：ros2 run <xxx> <xxx>
    • 常见的节点
      • 超声波 Node：sensor_package/ssr_pkg
      • 底盘 Node
  • topic 话题是节点间传递数据的桥梁
    • 发布/订阅模型
    • 订阅者或发布者可以不唯一：一对一、一对多、多对多
    • 异步通信机制
    • topic 发送的内容称为 message，使用 .msg 文件定义通信的消息结构
    • ros2 topic --help、ros2 topic list、ros2 topic pub <topic> <content>
    • 常见的话题
      • /scan 雷达数据话题，雷达节点发送，sensor_msgs:LaserScan
      • /cmd_vel 速度控制话题，雷达避障节点发出，指导机器人底盘节点
      • /imu/data IMU 数据话题
        • IMU(Inertial Measurement Unit, 惯性测量单元)，获取空间姿态，sensor_msgs:Imu.msg
        • 通过 /cmd_vel 控制底盘
      • /map 地图使用栅格划分 nav_msgs:OccupancyGrid
      • rqt_graph 命令绘制关系 UI
  • service
  • bag

• 开发环境

  • vscode
    • 插件：URDF
  • 客户端
    • pip3 install rosdepc 或使用 apt install python3-rosdep
    • rosdepc init && rosdepc update
    • rosdepc install -i --from-path src --rosdistro humble -y
    • build: apt install python3-colcon-ros && colcon build
    • env setup: source install/local_setup.sh
  • 创建功能包：ros2 pkg create --build-type <build-type> <package-name>

• 服务：节点间的你问我答

  • 客户端/服务器（C/S）模型
  • 同步通信机制
  • 服务器唯一，客户端可以不唯一
  • .srv 文件定义请求和应答数据结构

• 通信接口：数据传递的标准结构

  • .msg 话题文件
  • .srv 服务文件
  • .action 动作文件
  • 在 https://index.ros.org 搜索消息包：
    • std_msgs 标准消息包
    • common_msgs 常规消息包
      • sensor_msgs 传感器消息包
      • geometry_msgs 几何消息包
      • nav_msgs 导航消息包

• 动作：完整行为的流程管理

  • 机器人运动
    • 矢量运动：由 X/Y/Z 轴分量组成
    • 旋转运动：由 X/Y/Z 轴分量组成，angular 表示角度
  • 使用 topic: /cmd_vel 控制
    • command_velocity

• 参数：机器人系统的全局字典

  • 全局共享字典
  • 有键与值组成
  • 可实现动态监控
  • ros2 param list

• 分布式通信：多计算平台任务分配

• DDS(Data Distribution Service, 数据分发服务)：机器人的神经网络，2004 年由对象管理组织（OMG, Object Management Group）发布

  • 专门为实时系统设计的数据分发/订阅标准，DDS 强调以数据为中心
  • 常见的通信模式：点对点、Broker 模式、广播模式、数据为中心模式

• Launch：多节点启动与配置脚本，参考

  • 支持多节点多服务的启动

• TF(TransForm)：机器人坐标管理系统，主要描述两个坐标系的空间关系，即坐标系变换

  • /tf 话题
  • 静态 TF 广播

• URDF(Unified Robot Description Format, 统一机器人描述格式)：ROS 机器人建模方法

  • XML 格式
  • 包括：robot、link 和 join 自身及相关属性的描述信息。XACRO 格式支持宏定义和调用

• Gazebo：是一款三维物理仿真平台，是用来模拟真实机器人发出传感器数据的工具（作用：创造数据）

  • 强大的物理引擎，高质量的图形渲染
  • 方便的编程与图形接口
  • 开源免费
  • 使用场景：测试机器人算法、机器人设计、现实场景下的回溯测试
    • RGB-D 摄像头仿真（kinect）
    • 激光雷达仿真
  • apt install ros-humble-gazebo-*
  • 扩展
    • Logsim 提取 log 来做仿真，是由路测数据提取的场景，真实反映了实际交通环境中复杂多变的障碍物和交通状况，其场景相对固定
    • Worldsim 是由人为预设的道路和障碍物构成的场景，可以作为单元测试简单高效的测试自动驾驶车辆

• Ignition 新一代 Gazebo，官网

  • apt install ros-humble-ros-ign

• Rviz(The Robot Visualization Tool)：是一款 三维可视化显示平台，可以兼容基于 ROS 框架的机器人平台（作用：显示数据）

  • 使用 xml 对机器人、周围物体等进行描述，包括尺寸、质量、位置、关节、材质等
  • 命令：ros2 run rviz rviz [-d <xxx>.rviz]

• RQT：模块化可视化工具

  • apt install ros-humble-rqt

• SLAM(Simultaneous Localization And Mapping, 同时定位于地图构建) 通过参照物、电子标签等实现

  • 数据流：/scan -> SLAM节点 -> /map -> Rviz 显示
  • 实现
    • Hector_Mapping
      • apt install ros-humble-hector-mapping
    • slam_gmapping

相关硬件

• IMU 是附着在机器人身上的，实时发布机器人的旋转倾斜等姿态信息的单元模块
• 雷达
  • 单线雷达
  • 多线雷达
  • 三角测距雷达
  • TOF 雷达
  • 机械旋转雷达
  • 固态雷达

ROS 使用

• https://autoware.org/
• https://github.com/autowarefoundation
• https://moveit.ros.org/

• 图片参考

  • 扩展：OpenDriveLab

• https://shawnharris.com/week-3-building-an-ai-company/

扩展

• Apollo 是一个开放、完整、安全的自动驾驶平台，助力开发者快速搭建自动驾驶系统，由百度开发
  • https://www.apollo.auto/
• ros_motion_planning