ROS 2

#OpenSource #Framework

https://docs.ros.org/
Robot Operating System 2 第二代机器人操作系统
是一个用于机器人软件开发的开源框架。它提供了一套工具和库，使得开发者能够更容易地创建复杂的机器人应用程序。ROS的核心目标是实现代码的复用、模块化以及跨平台的机器人软件开发。
模块化、分布式

实际上是软件库和工具集，用于简化在各种机器人平台上创建复杂而强大的机器人行为的任务，即不重复造轮子。
ROS2 是在 ROS 的基础上设计开发的第二代机器人操作系统，可以帮助我们简化机器人开发任务，本质上是加速机器人落地的软件库和工具集。

一个面向机器人的中间件、库和工具的集合。它为机器人应用开发提供了一种灵活的框架，用于编写机器人软件。它能够帮助开发者更容易地构建复杂的机器人系统，使得软件的复用性更高，

概念 Concepts

Basic Concepts

ROS2 Nodes
ROS2 Topics
ROS2 Services
RCL

实际实践

创建工作区
编写节点 rclcpp 或 rclpy
编译构建 colcon build
运行节点 ros2 run
测试通信 ros2 topic echo / ros2 topic pub

相关工具	简要介绍
Rviz2	Data
RQT	GUI Framwork
Gazebo
Colcon

设计目标：面向真实世界应用

ROS 2 是对其前身 ROS 1 的彻底重新设计，旨在解决 ROS 1 在真实世界商业和研究应用中遇到的局限。其核心设计目标包括：

支持多机器人系统: 提供开箱即用的、可靠的多机器人通信能力。
支持实时控制: 改善对实时系统（Real-time Systems）的支持，满足高性能机器人（如机械臂）的控制需求。
支持嵌入式平台: 能够轻松部署到资源受限的微控制器上。
支持生产环境: 提升稳定性和安全性，使其适用于商业产品而非仅仅是学术研究。

核心概念：计算图模型 (Computation Graph)

一个 ROS 2 系统由一系列松散耦合的、可独立运行的节点 (Nodes) 组成，这些节点通过一个通用的通信层进行交互，形成一个“计算图”。

1. 节点 (Nodes)

节点是 ROS 2 中的基本可执行单元。一个机器人系统通常由许多各司其职的节点组成。例如，一个节点负责从摄像头读取图像，另一个节点负责处理图像以检测障碍物，还有一个节点负责根据障碍物信息控制电机。

2. 通信机制

节点之间通过三种核心机制进行通信：

话题 (Topics)
- 模式: 发布/订阅 (Publish/Subscribe) 模式，是多对多的异步通信。
- 工作方式: 一个节点（发布者）将消息发布到一个特定的话题上（如 /camera/image），其他任意数量的节点（订阅者）都可以订阅该话题以接收这些消息。
- 适用场景: 持续的数据流传输，如传感器数据、机器人状态等。这是最常用的通信方式。
服务 (Services)
- 模式: 请求/响应 (Request/Response) 模式，是一对一的同步通信。
- 工作方式: 一个节点（客户端）向另一个节点（服务器）发送一个请求，并等待服务器处理并返回一个响应。
- 适用场景: 需要远程过程调用（RPC）的场景，例如请求机器人执行一个特定的、耗时较短的计算或动作。
动作 (Actions)
- 模式: 带反馈的请求/响应模式，是一对一的异步通信。
- 工作方式: 客户端向服务器发送一个目标 (Goal)，服务器在执行任务的过程中会周期性地发布反馈 (Feedback)，并在任务完成后返回一个最终结果 (Result)。客户端可以随时取消任务。
- 适用场景: 需要执行耗时较长、且需要过程监控的任务，如“导航到某个位置”、“旋转机械臂 30 度”等。

3. 其他概念

参数 (Parameters): 每个节点都可以拥有可动态配置的参数，方便在不重新编译代码的情况下调整节点行为。
启动文件 (Launch Files): 使用 Python 编写的脚本，用于一次性地启动和配置一个包含多个节点的复杂系统。

与 ROS 1 的主要区别

特性	ROS 1	ROS 2
底层通信	TCPROS/UDPROS (自定义)	DDS (Data Distribution Service)，一个工业级、标准化的实时中间件。
多机器人通信	需要复杂的手动网络配置	原生支持，可自动发现和通信。
实时性	支持不佳	设计核心，提供实时安全的 C++客户端库。
官方支持语言	C++, Python	C++, Python (均为一等公民)
安全性	基本没有	内置安全机制，支持加密、认证和访问控制。

核心生态系统

Rviz2: 强大的 3D 可视化工具，用于显示传感器数据、机器人模型和各种调试信息。
Gazebo: 功能齐全的 3D 物理仿真环境，用于在部署到真实机器人之前进行算法测试。
MoveIt2: 应用最广泛的开源运动规划框架，用于机械臂的路径规划、运动学求解和碰撞检测。
Nav2: 完整的机器人自主导航框架。

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