ROS2探索总结-8.What is ROS 2.0 ？

ROS2探索总结-8.What is ROS2.0 ？

说明：

• 上篇“Why ROS 2.0”之后，这篇我们继续“What is ROS .0”。

一、ROS 2的设计目标

• 相比ROS 1，ROS 2的设计目标更加丰富：

  • 支持多机器人系统
    ROS 2增加了对多机器人系统的支持，提高了多机器人之间通信的网络性能，更多多机器人系统及应用将出现在ROS社区中。

  • 铲除原型与产品之间的鸿沟
    ROS 2不仅针对科研领域，还关注机器人从研究到应用之间的过渡，可以让更多机器人直接搭载ROS 2系统走向市场。

  • 支持微控制器
    ROS 2不仅可以运行在现有的X86和ARM系统上，还将支持MCU等嵌入式微控制器，比如常用的ARM-M4、M7内核。

  • 支持实时控制
    ROS 2还加入了实时控制的支持，可以提高控制的时效性和整体机器人的性能。

  • 跨系统平台支持
    ROS 2不止能运行在Linux系统之上，还增加了对Windows、MacOS、RTOS等系统的支持，让开发者的选择更加自由。

二、ROS 2的系统架构

• ROS 2重新设计了系统架构，可以从下图中看到两代ROS之间架构的变化：

  • OS层
    ROS 1主要构建于Linux系统之上；ROS 2带来了改变，支持构建的系统包括Linux、Windows、Mac、RTOS，甚至没有操作系统的裸机。

  • 中间层
    ROS中最重要的一个概念就是计算图中的“节点”，可以让开发者并行开发低耦合的功能模块，并且便于二次复用。ROS 1的通信系统基于TCPROS/UDPROS，而ROS 2的通信系统基于DDS。DDS是一种分布式实时系统中数据发布/订阅的标准解决方案。ROS 2内部提供了DDS的抽象层实现，用户不需要关注底层DDS的提供厂家。在ROS 1的架构中，Nodelet和TCPROS/UDPROS是并列的层次，可以为同一个进程中的多个节点提供一种更优化的数据传输方式。ROS 2中也保留了类似的数据传输方式，叫做“Intra-process”，同样独立于DDS。

  • 应用层
    ROS 1强依赖于ROS Master，可以想象一旦Master宕机，整个系统会面临如何的窘境。但是在右边ROS 2的架构中，让人耿耿于怀的Master终于消失了，节点之间使用一种称为“Discovery”的发现机制来帮助彼此建立连接。

三、ROS 2的关键中间件——DDS

• DDS（Data Distribution Service），即数据分发服务，2004年由对象管理组织OMG（Object Management Group）发布，是一种专门为实时系统设计的数据分发/订阅标准。

• DDS最早应用于美国海军，解决舰船复杂网络环境中大量软件升级的兼容性问题，目前已经成为美国国防部的强制标准，同时广泛应用于国防、民航、工业控制等领域，成为分布式实时系统中数据发布/订阅的标准解决方案。

• 其技术关键是以数据为核心的发布/订阅模型（Data-Centric Publish-Subscribe ，DCPS），这种DCPS模型创建了一个“全局数据空间”（global data space）的概念，所有独立的应用都可以访问。

• 目前已经有多家DDS厂商可以提供相关技术，包括可供ROS使用的开源版本和商业版本。

四、ROS 2的通信模型

• ROS 1的通信模型主要包含话题、服务等通信机制，ROS 2的通信模型会稍显复杂，加入了很多DDS的通信机制。

• 基于DDS的ROS 2通信模型包含以下几个关键概念：

  • 参与者（Participant）
    在DDS中，每一个发布者或者订阅者都称为参与者，对应于一个使用DDS的用户，可以使用某种定义好的数据类型来读写全局数据空间。

  • 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）
    上层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ROS 1中的一个消息发布者。

  • 数据读取器（DataReader）
    上层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ROS 1中的一个消息订阅者。

  • 话题（Topic）
    和ROS 1中的概念类似，话题需要定义一个名称和一种数据结构，但ROS 2中的每个话题都是一个实例，可以存储该话题中的历史消息数据。

  • 质量服务原则（Quality of Service）
    简称QoS Policy，这是ROS 2中新增的、也是非常重要的一个概念，控制各方面与底层的通信机制，主要从时间限制、可靠性、持续性、历史记录这几个方面，满足用户针对不同场景的数据需求。

• 实时性增强：数据必须在deadline之前完成更新；

• 持续性增强：DDS可以为ROS 2提供数据历史服务，新加入的节点也可以获取发布者发布的所有历史数据；

• 可靠性增强：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）。