《鴻蒙機器人編程》1-ROS起源及特色 -教案

ROS星火計劃 ROS起源及特色 NXROBO&ExBotROS起源及特色什么是ROS?RobotOperatingSystem(ROS)是一個適用于機器人的開源的元操作系統(tǒng)。它提供了操作系統(tǒng)應(yīng)有的服務(wù)，包括硬件抽象，底層設(shè)備控制，常用函數(shù)的實現(xiàn)，進程間消息傳遞，以及包管理。它也提供用于獲取、編譯、編寫、和跨計算機運行代碼所需的工具和庫函數(shù)。松耦合點對點進程網(wǎng)絡(luò)，一個分布式的通信框架，幫助程序進程之間更方便地通信。支持的操作系統(tǒng)：ROS主流在基于Unix的平臺上運行。ROS的軟件主要在Ubuntu和MacOSX系統(tǒng)上測試，同時ROS小區(qū)仍持續(xù)支持Fedora，Gentoo，ArchLinux和其它Linux平臺。MicrosoftWindows已開始支持ROS，功能尚待完善。從計算圖視角理解ROS：ROS中可執(zhí)行程序的基本單位叫節(jié)點（node）節(jié)點之間通過消息、服務(wù)、動作等機制進行通信這樣就組成了一張網(wǎng)狀圖，也叫計算圖從文件系統(tǒng)視角理解ROSROS程序的不同組件放在不同的文件夾中文件夾根據(jù)不同的功能對文件進行組織這就是ROS的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從開源社區(qū)視角理解ROSROS是開源軟件，全球機器人專家分享、貢獻自己的智慧在網(wǎng)絡(luò)社區(qū)分享和貢獻軟件及教程形成了強大的ROS開源社區(qū)ROS的起源脫胎于斯坦福的STAIR項目成長于PR2機器人項目，ROS是該項目的軟件部分遵循OS理念：為了提高機器人設(shè)計和開發(fā)效率避免機器人領(lǐng)域工作者重復(fù)造輪子，統(tǒng)一了開發(fā)標準為什么學(xué)習(xí)ROS?機器人開發(fā)：軟件開發(fā)的比重越來越大軟件框架選擇：是軟件架構(gòu)設(shè)計中一個重要的決策ROSPlayerYARPOrocosCARMENOrcaMOOSMicrosoftRoboticsStudioROS的優(yōu)勢松散耦合的機制方便機器人軟件框架的組織最豐富的機器人功能庫方便快速搭建原型便利的數(shù)據(jù)記錄、分析、仿真工具，方便調(diào)試學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的標準方便學(xué)習(xí)和交流對于開發(fā)者：快速搭建機器人原型通過ROS平臺學(xué)習(xí)先進機器人技術(shù)掌握機器人框架體系構(gòu)建學(xué)習(xí)先進的機器人算法跟蹤當前最先進的硬件技術(shù)把握技術(shù)潮流跟蹤技術(shù)前沿對于企業(yè)：License許可ROS的核心是BSD許可證。這是一個非常寬松的開放許可證。允許在商業(yè)和閉源產(chǎn)品使用。/licenses/BSD-3-Clause/wiki/BSD_licenses對于研究人員：豐富的資源，最新的成果目前學(xué)術(shù)領(lǐng)域大部分最新成果都會發(fā)布ROS的版本“ROS:anopensourceRobotOperatingSystem”(Quigleyetal.,2009)論文引用量9869Source:GoogleScholar2022-07-13最龐大的使用者群體，事實上的機器人標準2018年數(shù)據(jù)：目前在使用操作系統(tǒng)做開發(fā)的人員用戶超過60萬。（個人用戶中國第二）官方支持ROS的機器人100+產(chǎn)品：目前已經(jīng)有很多機器人公司采用了ROS系統(tǒng)來開發(fā)一些應(yīng)用于全新市場的產(chǎn)品，如ClearPath，Rethink，Unbounded，Neurala，BlueRiver，BIG-i，最典型的就是WillowGarage的PR2機器人。大公司的支持：Nvidia、博世、谷歌、高通、英特爾、寶馬、小米、華為以及大疆等。投資機構(gòu)的熱捧：僅2015年，相關(guān)風(fēng)險投資機構(gòu)就在基于ROS操作系統(tǒng)的機器人公司投資了超過1.5億美元。代碼統(tǒng)計Thetotallinecountisover14millionlinesofcodeTherehavebeen2477authorsAnd181509commitsAveraging73.3commitsperauthor代碼語言cpp:2608592(63.98%)python:553332(13.57%)ansic:297629(7.30%)xml:280615(6.88%)lisp:149439(3.67%)java:135343(3.32%)ruby:26484(0.65%)sh:21120(0.52%)ROS的不足目前基于Ubuntu系統(tǒng)，移植嵌入式系統(tǒng)困難無實時性設(shè)計體積較大系統(tǒng)整體運行效率低總的來說，ROS不擅長開發(fā)對實時性及成本要求嚴苛的產(chǎn)品。一句話概括ROS幫助你快速制作機器人的眾多軟件庫和工具的集合。規(guī)定了統(tǒng)一通信接口的松耦合分布式開源軟件框架。最大的好處：即插即用，提供統(tǒng)一軟件接口，事實上的機器人研究的統(tǒng)一平臺。有了統(tǒng)一的平臺，我們才有共同交流的可能，以上也是我們學(xué)習(xí)ROS的主要原因。ROS應(yīng)用場景商業(yè)上的機器人產(chǎn)品一般會給出ROS的軟件接口（比如ROS-I基于的工業(yè)機器人的MoveIt!接口）商業(yè)上很多機器人相關(guān)軟件也會給出ROS界面（比如Webots仿真器，MATLAB的robotsystemtoolbox），從一方面說明ROS的普及程度。ROS現(xiàn)在最廣泛的用途：算法與硬件的快速結(jié)合，系統(tǒng)集成方案快速構(gòu)建、評估與驗證?，F(xiàn)階段不建議將ROS整體、直接用于對實時性及成本要求嚴苛的產(chǎn)品。ROS2.0：新的架構(gòu)（取消了Master），新的通信機制（DDS數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議），對實時性的支持，有望實現(xiàn)嵌入式應(yīng)用。ROS應(yīng)該學(xué)什么入門起步設(shè)計思想核心概念核心模塊核心工具設(shè)計思想：分布式架構(gòu)核心概念Nodes(節(jié)點)MessagesandTopics(消息與話題)Services(服務(wù))ROSMaster(ROS管理器)Parameters(參數(shù))Stacksandpackages(功能包集與功能包)ROSNodes節(jié)點是各自獨立的可執(zhí)行文件，能夠通過話題、服務(wù)或參數(shù)服務(wù)器與其他進程（節(jié)點）通信。ROS通過使用節(jié)點將代碼和功能解耦，提高了系統(tǒng)容錯能力和可維護性，使系統(tǒng)簡化。同時，節(jié)點允許了ROS系統(tǒng)能夠布置在任意多個機器上并同時運行。節(jié)點在系統(tǒng)中必須有唯一的名稱。節(jié)點可以使用不同的庫進行編寫，如roscpp和rospy。roscpp基于C++rospy基于Python。ROSTopics話題是節(jié)點間用來傳輸數(shù)據(jù)的總線。1-to-NPublish/Subscribe模式:同一個話題也可以有很多個訂閱者。使用TCP/IP傳輸，稱為TCPROS，ROS默認。使用UDP傳輸，稱為UDPROS，適合于遠程操控任務(wù)。（低延遲高效率的傳輸方式，但可能產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失）。ROSMessages一個節(jié)點通過向特定話題發(fā)布消息。消息具有一定的類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括ROS提供的標準類型和用戶自定義類型。消息的類型標準命名方式進行約定：功能包名稱/.msg文件名。最常用的有g(shù)eometry_msgs/Twist包括線速度和角速度Vectors三維向量ROSServices1-to-1Service/Client模型：當你需要直接與節(jié)點通信并獲得應(yīng)答時，將無法通過話題實現(xiàn)，這時需要使用服務(wù)。服務(wù)需要由使用者開發(fā)，節(jié)點并不提供標準服務(wù)。命令行工具：rossrv查看有關(guān)服務(wù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的信息rosservice列出服務(wù)清單和查詢某個服務(wù)ROSMaster向ROS系統(tǒng)中其他節(jié)點提供命名和注冊服務(wù)跟蹤和記錄話題的發(fā)布者和訂閱者使ROS節(jié)點之間能夠相互查找。一旦節(jié)點找到了彼此，就能建立一種點對點的通信方式。提供參數(shù)服務(wù)器ParameterServer參數(shù)服務(wù)器是可通過網(wǎng)絡(luò)訪問的共享的多變量字典。節(jié)點使用此服務(wù)器來存儲和檢索運行時的參數(shù)。ROSPackages功能包（Package）ROS中軟件組織的基本形式，用于創(chuàng)建ROS程序。它包含源文件、腳本文件、配置文件、可執(zhí)行文件等。本質(zhì)是一個特殊的文件夾，此文件夾中的文件和子文件夾按前面所說的文件系統(tǒng)的約定來編排，以方便管理、編譯、使用此功能包。功能包管理：package.xml和CMakelists.txt文件，其中package.xml用來描述此功能包的基本信息，包括包名、作者、包之間的依賴等。CMakelists.txt主要描述如何構(gòu)建、編譯此功能包程序。ROSPackageSystem核心模塊ROSPackage種類ROS常用命令工具rostopic(Topics)rosservice(Services)rosnode(Nodes)rosparam(Parameters)rosmsg(Messages)rossrv(Services)roswtf(Generaldebugging)ROS常用可視化工具rviz–3D可視化工具rqt–集成圖像交互接口怎么學(xué)習(xí)ROS?兩種教學(xué)模式InstructionismVs.Constructionism指導(dǎo)主義（Instructionism）：傳統(tǒng)教學(xué)方式：老師講，學(xué)生聽。特點：開環(huán)，或是死循環(huán)周期過長，等到期末考試或若干年工作后。建造主義（Constructionism）：Learningbymaking，closetheloopofunderstandingAstepbystepguide學(xué)習(xí)步驟安裝:/ROS/Installation官網(wǎng)教程:/ROS/Tutorials建議初學(xué)者認真學(xué)完整個“初級”20個教程！聽到最多的問題之一：問：老師，我tutorials做完了，接下來該干什么？答：運行真實的機器人、解決真實的問題！問：沒有機器人怎么辦？答：仿真環(huán)境仿真環(huán)境：由易至難Turtlesim一個QT開發(fā)的2D軌跡顯示接口只能顯示運動軌跡ArbotiX含有一個差速驅(qū)動機器人的rviz仿真器機器人運動及topic數(shù)據(jù)的3D顯示Gazebo功能齊全的3D物理仿真工具非常重，對內(nèi)存和顯卡要求高，慎入！進階部分結(jié)合硬件平臺和具體應(yīng)用學(xué)習(xí)使用各種packageOpenCV、PCL、MoveIt!、Control、Navigation、SLAM在開發(fā)過程中學(xué)習(xí)使用調(diào)試仿真工具rqt、rviz、Gazebo開發(fā)測試新的機器人算法集成各類package構(gòu)建機器人原型ROS版本那么多，該用哪一個？下載使用統(tǒng)計Hydroandearlier:0.17%Indigo:14.50%(LongTermSupport)Jade:0.50%Kinetic:62.89%(LongTermSupport)Lunar:2.70%Melodic:6.49%(LongTermSupport)版本選擇建議初學(xué)者：KineticLinux程序設(shè)計能力比較強的：Melodic注意：Ubuntu版本要與ROS版本需匹配ROSIndigo+Ubuntu(14.04.1LTS)ROSKinetic+Ubuntu(16.04LTS)ROSDistributionReleases命令行不熟悉怎么辦？有IDE/IDEsEclipseCodeBlocksEmacsVimNetBeansQtCreatorQtCreatorPluginforROSPyCharm(communityedit