作者 · 古月居
来源 · 古月居
编辑 · Tony
ROS已经走过11个年头，伴随机器人技术的大发展，ROS也得到了极大的推广和应用。尽管还存在不少局限性，但依然无法掩盖ROS的锋芒，社区内的功能包还是呈指数级逐年上涨，为机器人开发带来了巨大的便利
ROS最初设计的目标机器人是PR2，这款机器人搭载了当时最先进的移动计算平台，而且网络性能优异，不需要考虑实时性方面的问题，主要应用于科研领域。
如今ROS应用的机器人领域越来越广：轮式机器人、人形机器人、工业机械手、室外机器人（如无人驾驶汽车）、无人飞行器、救援机器人等等，美国NASA甚至考虑使用ROS开发火星探测器；越来越多的机器人开始从科研领域走向人们的日常生活。
ROS 1虽然仍是机器人领域的开发利器，但介于最初设计时的局限性，也逐渐暴露出不少问题。
目前的ROS 1主要存在以下问题：
1. 多机器人系统
多机器人系统是机器人领域研究的一个重点问题，可以解决单机器人性能不足、无法应用等问题，但是ROS 1中并没有构建多机器人系统的标准方法。
2. 跨平台
ROS 1基于Linux系统，在Windows、MacOS、RTOS等系统上无法应用或者功能有限，这对机器人开发者和开发工具提出了较高要求，也有很大的局限性。
3. 实时性
很多应用场景下的机器人对实时性有较高要求，尤其是工业领域，系统需要做到硬实时的性能指标，但是ROS 1缺少实时性方面的设计，所以在很多应用中捉襟见肘。
4. 网络连接
ROS 1的分布式机制需要良好的网络环境保证数据的完整性，而且网络没有数据加密、安全防护等功能，网络中的任意主机都可获得节点发布或接收的消息数据。
5. 产品化
ROS 1的稳定性欠佳，ROS Master、节点等重要环节在很多情况下会莫名宕机，这就导致很多机器人从研究开发到消费产品的过渡非常艰难。
虽然不少开发者和研究机构针对以上部分问题进行了改良，但这些局部功能的改善往往很难带来整体性能的提升，机器人开发者对新一代ROS的呼声越来越大，ROS 2.0的消息也不绝于耳。
终于！
ROSCon 2014上，新一代ROS的设计架构（Next-generation ROS: Building on DDS）正式公布。
2015年8月第一个ROS 2.0的alpha版本落地；
2016年12月19日，ROS 2.0的beta版本正式发布；
2017年12月8日，万众瞩目的ROS 2.0终于发布了第一个正式版——Ardent Apalone。
2018年7月2日，第二个正式版——Bouncy Bolson发布，保持半年更新一个版本的节奏。
2018年12月，第三个正式版——Crystal Clemmys也将发布。
众多新技术和新概念应用到了新一代的ROS之中，不仅带来了整体架构的颠覆，更是增强了ROS 2.0的综合性能。
ROS 2诞生的目标并不是取代ROS 1，也不可能立刻取代ROS 1，众多功能包迁移到ROS 2将会是一个漫长的过程，ROS 2自身功能的完善也还需要迭代多个版本，所以在很长一段时间内，ROS 2和ROS 1将会并存。
用一张图来总结ROS 2和ROS 1的主要特性：
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。
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。
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。
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）。
· In the end ·
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