作者:李慢慢
來源:微信公眾號【車路漫漫】
前言:一直都覺得ROS很神秘,到底是個操作系統,僅憑稱呼就讓我望而卻步了。但ROS和自動駕駛仿真有著千絲萬縷的聯系,作為仿真軟件和智駕算法的數據橋梁,ROS是個繞不開的話題,所以還是得硬著頭皮啃一啃。然后用大白話講給你聽,最好再做兩個小栗子,那可真是功德無量了。
本文將帶領大家了解ROS的核心概念,為后續學習“使用ROS框架為自動駕駛仿真平臺集成被控算法”打好基礎。
1、ROS簡介
ROS(Robot Operating System)是一個適用于機器人的開源框架,這個框架把原本松散的零部件耦合在了一起,為它們提供了通信架構。ROS雖然叫做操作系統,但是它卻要安裝在如Linux這種操作系統上才能運行。它的作用只是連接真正的操作系統(如Linux)和使用者自己開發的ROS應用程序(比如自動駕駛的感知、規劃、決策等模塊),所以它也算是個中間件,在基于ROS的應用程序之間建立起了溝通的橋梁。
所以,簡單點說, ROS就是一個分布式的通信框架,幫助程序進程之間更方便地通信。
為了更形象的理解ROS的應用,這里從別的平臺找到一個非常好的科普視頻,供大家學習。
2、ROS的核心概念
在正式學習ROS之前,先介紹ROS的幾個特性,即元操作系統、分布式通信機制、松耦合軟件框架、豐富的開源功能庫等,來幫大家建立一些感性的認識。
ROS是一個機器人領域的元操作系統。也就是說,它并不是真正意義上的操作系統,其底層的任務調度、編譯、設備驅動等還是由它的原生操作系統Ubuntu/Linux完成。
ROS實際上是運行在Ubuntu/Linux上的亞操作系統 ,或者說軟件框架,但提供硬件抽象、函數調用、進程管理這些類似操作系統的功能,也提供用于獲取、編譯、跨平臺的函數和工具。
ROS的核心思想就是將機器人的軟件功能做成一個個節點,節點之間通過互相發送消息進行溝通。這些節點可以部署在同一臺主機上,也可以部署在不同主機上,甚至還可以部署在互聯網上。ROS網絡通信機制中的主節點(master)負責對網絡中各個節點之間的通信過程進行管理調度,同時提供一個用于配置網絡中全局參數的服務。
ROS是松耦合軟件框架,利用分布式通信機制實現節點間的進程通信。ROS的軟件代碼以松耦合方式組織,開發過程靈活,管理維護方便。
3、從ROS1到ROS2
2007年,一家名為柳樹車庫(Willow Garage)的機器人公司發布了ROS,ROS集開源、免費、高復用、低耦合、工具豐富等等諸多優勢于一身,一經推出便迅速吸引了大量的開發者、科研人員、硬件供應商的加入,形成了穩定且多樣的機器人生態,水到渠成的ROS也成為了機器人領域的主流軟件框架并流行至今。
自ROS誕生的十幾年來,不管是機器人相關軟件、硬件還是ROS社區都發生了天翻地覆的變化,加之原本的ROS存在一些設計上的先天性缺陷,在各種內外因素疊加下,導致老ROS在許多應用場景下都已經顯得力不從心了。此背景下,官方于2017正式推出了新一代機器人操作系統——ROS2(區別于老ROS,即ROS1),ROS2基于全新的設計框架,保留了ROS1的優點并改進其缺陷,以適應新時代的新需求。
ROS2是全新一代機器人操作系統,不只是功能增強的ROS1。
所以,我們還是直接就學習ROS2吧。
4、ROS的發行版本
ROS最初是基于Ubuntu系統開發的,ROS的發行版本名稱也和Ubuntu采用了同樣的規則,即版本名稱由兩個相同首字母的英文單詞組成,版本首字母按字母表遞增順序選取,以下列表為ROS2各不同發布版本的簡單說明。
發行版 | 發布日期 | 停止維護日期 |
---|---|---|
Iron Irwini | 2023 年 5 月 23 日 | 2024 年 11 月 |
Iron Irwini | 2023 年 5 月 23 日 | 2024 年 11 月 |
Humble Hawksbill | 2022 年 5 月 23 日 | 2027 年 5 月 |
Galactic Geochelone | 2021 年 5 月 23 日 | 2022 年 11 月 |
Foxy Fitzroy | 2020 年 6 月 5 日 | 2023 年 5 月 |
Eloquent Elusor | 2019 年 11 月 22 日 | 2020 年 11 月 |
Dashing Diademata | 2019 年 5 月 31 日 | 2021 年 5 月 |
Crystal Clemmys | 2018 年 12 月 14 日 | 2019 年 12 月 |
Bouncy Bolson | 2018 年 7 月 2 日 | 2019 年 7 月 |
Ardent Apalone | 2017 年 12 月 8 日 | 2018 年 12 月 |
5、ROS的學習方法
要想學好以及用好ROS,需要進行大量的實踐操作。因此在快速了解ROS的核心概念和編程范式后,就要結合大量的實際項目來深入理解ROS。ROS的學習資源主要有以下幾個:
官網:www.ros.org
源碼:github.com
Wiki:wiki.ros.org
6、ROS系統架構
由于ROS的架構比較復雜,為了后面容易理解遇到的各種概念,這里先討論一下ROS的系統架構,好讓大家對ROS中的各種概念有全面性把控。按照官方的說法,可以分別從計算圖 、 文件系統和開源社區視角來理解ROS架構。
6.1、從計算圖視角理解ROS架構
ROS中可執行程序的基本單位叫 節點 (node),節點之間通過消息機制進行通信,這樣就組成了一張網狀圖,也叫計算圖,如下圖所示。
節點是可執行程序,通常也叫進程。
ROS功能包中創建的每個可執行程序在被啟動加載到系統進程中后,就是一個ROS節點,如上圖中的節點1、節點2、節點3等。
節點之間通過收發消息進行通信,消息收發機制分為 話題 (topic)、 服務 (service)和 動作 (action)三種,如圖1-3中的節點2與節點3、節點2與節點5采用話題通信,節點2與節點4采用服務通信,節點1與節點2采用動作通信。計算圖中的節點、話題、服務、動作都要有唯一名稱作為標識。
ROS利用節點將代碼和功能解耦,提高了系統的容錯性和可維護性。所以最好讓每個節點都具有特定的單一功能,而不是創建一個包羅萬象的龐大節點。如果用C++編寫節點,需要用到ROS提供的roscpp庫;如果用Python編寫節點,需要用到ROS提供的rospy庫。
主節點負責各個節點之間通信過程的調度管理。因此主節點必須要最先啟動,可以通過roscore命令啟動。
消息是構成計算圖的關鍵,包括消息機制和消息類型兩部分:消息機制有話題、服務和動作三種,每種消息機制中傳遞的數據都具有特定的數據類型(即消息類型);消息類型可分為話題消息類型、服務消息類型和動作消息類型;
數據包 (rosbag)是ROS中專門用來保存和回放話題中數據的文件,可以將一些難以收集的傳感器數據用數據包錄制下來,然后反復回放來進行算法性能調試。
參數服務器能夠為整個ROS網絡中的節點提供便于修改的參數。參數可以認為是節點中可供外部修改的全局變量,有靜態參數和動態參數。靜態參數一般用于在節點啟動時設置節點工作模式;動態參數可以用于在節點運行時動態配置節點或改變節點工作狀態,比如電機控制節點里的PID控制參數。
6.2、從文件系統視角理解ROS架構
ROS程序的不同組件要放在不同的文件夾中,這些文件夾根據不同的功能對文件進行組織,這就是ROS的文件系統結構,如下圖所示。
工作空間是一個包含功能包、編譯包和編譯后可執行文件的文件夾,用戶可以根據自己的需要創建多個工作空間,在每個工作空間中開發不同用途的功能包。在上圖中,我們創建了一個名為catkin_ws的工作空間,其中包含src、build和devel三個文件夾。
src文件夾 放置各個功能包和配置功能包的CMake配置文件CMakeLists.txt。這里說明一下,由于ROS中的源碼采用catkin工具進行編譯,而catkin工具又基于CMake技術,所以我們在src源文件空間和各個功能包中都會見到一個CMake配置文件CMakeLists.txt,這個文件起到配置編譯的作用。
build文件夾 放置編譯CMake和catkin功能包時產生的緩存、配置、中間文件等。
devel文件夾 放置編譯好的可執行程序,這些可執行程序是不需要安裝就能直接運行的。一旦功能包源碼編譯和測試通過后,可以將這些編譯好的可執行文件直接導出與其他開發人員分享。
功能包是ROS中軟件組織的基本形式,具有創建ROS程序的最小結構和最少內容,它包含ROS節點源碼、腳本、配置文件等。
CMakeLists.txt是功能包配置文件,用于編譯Cmake功能包編譯時的編譯配置。
package.xml是功能包清單文件,用xml的標簽格式標記該功能包的各類相關信息,比如包的名稱、開發者信息、依賴關系等,主要是為了使功能包的安裝和分發更容易。
include/
msg、srv和action這三個文件夾分別用于存放非標準話題消息、服務消息和動作消息的定義文件。ROS支持用戶自定義消息通信過程中使用的消息類型。這些自定義消息不是必要的,比如程序只使用標準消息類型。
scripts目錄存放Bash、Python等腳本文件,為非必要項。
launch目錄存放節點的啟動文件,*.launch文件用于啟動一個或多個節點,在含有多個節點的大型項目中很有用,為非必要項。
src目錄存放功能包節點所對應的源代碼,一個功能包中可以有多個節點程序來完成不同的功能,每個節點程序都可以單獨運行。這里src目錄存放的是這些節點程序的源代碼,你可以按需創建文件夾和文件來組織源代碼,源代碼可以用C++、Python等編寫。
6.3、從開源社區視角理解ROS架構
ROS是開源軟件,各個獨立的網絡社區分享和貢獻軟件及教程,形成了強大的ROS開源社區,如下圖所示。
ROS的發展依賴于開源和共享的軟件,這些代碼由不同的機構共享和發布,比如GitHub源碼共享、Ubuntu軟件倉庫發布、第三方庫等。ROS的官方wiki是重要的文檔討論社區,在里面可以很方便地發布與修改相應的文檔頁面。ROS的answer主頁里有大量ROS開發者的提問和回答,對ROS開發中遇到的各種問題的討論很活躍。
7、ROS的安裝及測試
7.1、更新軟件源
再開始安裝之前,強烈建議大家更新一下系統源(很多基礎環境包都將從這里下載并安裝)。我這里使用了阿里的源,更新方法如下:
首先需要備份一下原始的源列表文件
sudocp-rf/etc/apt/sources.list/etc/apt/sources.list.bak
然后開始編輯源列表文件:
sudo gedit /etc/apt/sources.list
將sources.list中原本的內容都刪除,然后填入以下的內容后保存:
debhttp://mirrors.aliyun.com/ubuntu/jammymainrestricteduniversemultiverse deb-srchttp://mirrors.aliyun.com/ubuntu/jammymainrestricteduniversemultiverse debhttp://mirrors.aliyun.com/ubuntu/jammy-securitymainrestricteduniversemultiverse deb-srchttp://mirrors.aliyun.com/ubuntu/jammy-securitymainrestricteduniversemultiverse debhttp://mirrors.aliyun.com/ubuntu/jammy-updatesmainrestricteduniversemultiverse deb-srchttp://mirrors.aliyun.com/ubuntu/jammy-updatesmainrestricteduniversemultiverse debhttp://mirrors.aliyun.com/ubuntu/jammy-proposedmainrestricteduniversemultiverse deb-srchttp://mirrors.aliyun.com/ubuntu/jammy-proposedmainrestricteduniversemultiverse debhttp://mirrors.aliyun.com/ubuntu/jammy-backportsmainrestricteduniversemultiverse deb-srchttp://mirrors.aliyun.com/ubuntu/jammy-backportsmainrestricteduniversemultiverse
注意:雖然同為阿里源,但也有針對系統的不同源版本,我的Ubuntu系統是jammy版本,阿里源也應該是這個版本。然后根據這個源更新自己系統里的軟件:
sudoapt-getupdate sudoapt-getupgrade
這個過程應該要挺久,但運行完畢不應該報錯才行,有任務錯誤請自行度娘。
然后就是根據官方的教程進行ROS2的安裝。官方的安裝教程鏈接如下:
https://docs.ros.org/en/humble/Installation.html
7.2、檢查操作系統語言環境
在ROS2官方的文檔中,安裝ROS2之前需要首先檢查操作系統語言環境。官方解釋:確保你有一個支持UTF - 8的語言環境。如果你處在一個極小的環境(例如一個Docker容器)中,那么這個語言環境可能和POSIX一樣是極小的。我們通過以下設定進行檢驗。
我們可以Ctrl+Alt+T調出終端,輸入locale檢查是否支持 UTF-8,若不支持,則需要繼續執行下邊的指令進行設置:
locale#檢查是否支持UTF-8 sudoaptupdate&&sudoaptinstalllocales sudolocale-genen_USen_US.UTF-8 sudoupdate-localeLC_ALL=en_US.UTF-8LANG=en_US.UTF-8 exportLANG=en_US.UTF-8 locale#驗證設置是否正確
7.3、Ubuntu universe存儲庫設置與啟動
在設置ROS2軟件源之前,我們需要首先啟動Ubuntu universe存儲庫,啟動Ubuntu universe存儲庫我們可以通過打開終端通過命令行進行操作。
根據官方文檔,我們可以在命令行輸入下面的指令來進行Ubuntu universe存儲庫的啟動:
sudoaptinstallsoftware-properties-common sudoadd-apt-repositoryuniverse
7.4、設置ROS軟件源
通過下面的命令,首先將ROS 2 apt存儲庫更新添加到系統,然后通過apt授權ROS 2的GPG密鑰:
sudoaptupdate&&sudoaptinstallcurl sudocurl-sSLhttps://raw.githubusercontent.com/ros/rosdistro/master/ros.key-o/usr/share/keyrings/ros-archive-keyring.gpg
然后通過以下指令,將存儲庫添加到我們的源列表中。
echo"deb[arch=$(dpkg--print-architecture)signed-by=/usr/share/keyrings/ros-archive-keyring.gpg]http://packages.ros.org/ros2/ubuntu$(./etc/os-release&&echo$UBUNTU_CODENAME)main"|sudotee/etc/apt/sources.list.d/ros2.list>/dev/null
7.5、安裝ROS2
設置完存儲庫后,首先通過下面的指令更新apt存儲庫緩存
sudoaptupdate
由于ROS 2建立在頻繁更新的Ubuntu系統上。所以官方建議在安裝新的軟件包之前確保您的系統是最新的。我們可以通過下面的指令更新升級已安裝的軟件
sudoaptupgrade
ROS安裝版本選擇及安裝指令:
ROS2桌面版安裝(官方推薦),包括:ROS、Rviz、官方demo、教程
sudoaptinstallros-humble-desktop
ROS2基礎版安裝(裸機),包括:通信庫、消息包、命令行工具等,但沒有GUI工具。
sudoaptinstallros-humble-ros-base
這里我們安裝桌面版ROS2 ,輸入以下的安裝指令即可:
sudoaptinstallros-humble-desktop
7.6、環境配置
官方文檔給出了環境配置的方法,在終端下執行ROS2程序之前,要調用下面的命令進行環境配置,才可正確執行程序
#Replace".bash"withyourshellifyou'renotusingbash #Possiblevaluesare:setup.bash,setup.sh,setup.zsh source/opt/ros/humble/setup.bash
對于官方的環境配置方法,由于每次打開新的終端,都需要進行環境的配置,這降低了開發和測試的效率,為了避免每次打開新的終端都進行環境配置這個問題,我們可以將配置環境指令通過下面的指令寫入 ”~/.bashrc“ 文件,那么每次新啟動終端時,就不需要在手動配置環境:
#將配置環境指令通過下面的指令寫入”~/.bashrc“文件 echo"source/opt/ros/humble/setup.bash">>~/.bashrc #查看”~/.bashrc“文件 sudogedit~/.bashrc
至此,我們完成了ROS2的安裝與環境配置,接下來我們進行ROS2的環境測試。
8、ROS操作系統的使用案例
8.1、案例1-talker和listener
我們需要以此打開兩個終端窗口,各輸入以下一條指令。
啟動第一個終端,通過以下命令啟動一個數據的發布者節點:
ros2rundemo_nodes_cpptalker
啟動第二個終端,通過以下命令啟動一個數據的訂閱者節點:
ros2rundemo_nodes_pylistener
如果“Hello World”字符串在兩個終端中正常傳輸,說明通信系統沒有問題。如下所示:
8.2、案例2-小烏龜
在我們安裝的ROS2桌面完整版中,內置了一些案例,我們可以運行這些案例來測試ROS2的安裝與配置是否正常。在這里,我們選用ROS2經典的小烏龜案例來進行演示,實操如下:
使用快捷鍵‘Ctrll+Alt+T’分別打開兩個終端,并分別輸入下面兩個命令:
#啟動第一個終端 #啟動烏龜GUI節點界面,烏龜可以在界面中運動 ros2runturtlesimturtlesim_node
#啟動第二個終端 #啟動鍵盤控制節點,可以通過鍵盤控制烏龜運動 ros2runturtlesimturtle_teleop_key
運行效果的界面如下:
9、結語
本文初步完成了ROS基本概念的學習,并完成了安裝和簡單測試。后續將繼續基于ROS和Carla,完成自定義節點的設置,并集成其他平臺的開源自動駕駛算法,以搭建更為完善的自動駕駛仿真測試平臺,歡迎大家持續關注。
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