作者： Víctor Mayoral-Vilches 和 Giulio Corradi，賽靈思公司

連載五：為什么是通過 ROS 2集成自適應計算？

機器人操作系統 （ROS） 是機器人應用開發的實際框架。在 Open Robotics 的維護和指導下，ROS 不僅是一種操作系統，也是一種框架。它由構建和管理機器人的不同工具構成，包括調試和可視化實用工具、編排工具、機器人庫（如運動規劃、導航、定位等），以及促進機器人系統開發的通信工具。

目前，原始版本的 ROS 文章已被引用 8，500 次以上，充分證明其在研究和學術領域得到廣泛的認可，ROS 就誕生在這樣的環境下。其主要目的是為開展前沿研發的用戶提供所需的軟件工具。在像 ROS-Industrial（簡稱 ROS-I）這樣項目的支持下，ROS 在業界的熱度持續增長。ROS-I 是一個開源計劃，目的是將 ROS 軟件的先進功能推廣到工業應用。由于 ROS-I 聯盟的帶動，ROS 現已在業界成功部署。日前該聯盟已擁有 80 多家成員，每年在歐洲、美國和亞洲舉辦會議，廣聚數百位機器人專家和知名制造商。后者藉此機會，通過演示介紹他們自己的 ROS 驅動程序。

隨著 ROS 超越學術層面開始進入工業和其他領域，ROS 的局限性也日漸凸顯，如缺乏嵌入式支持和深度嵌入的原生支持，單機器人軟件架構，無實時功能和缺乏安全性等。為了解決這些問題，Open Robotics 于 2014 年開始重新設計 ROS，由此 ROS 2 問世。ROS 2 通過將通信中間件與機器人邏輯分離，突破了大部分已知的局限性。具體而言，Open Robotics 選擇“數據分發服務”（DDS） 作為初始通信中間件，并針對各種 DDS 解決方案構建適配器，同時對上層暴露 DDS 特性。盡管如此，ROS 核心層仍然保持免受通信中間件的影響。ROS 2 軟件架構具體如 圖 1 所示：

圖 1：軟件架構

上層建立在中間件抽象層 （rmw） 上，后者負責將 ROS 抽象轉譯成具體的中間件。ROS 客戶端庫 （rcl） 不會暴露任何具體中間件的實現細節（如 DDS）。這樣一來，rcl 保持免受中間件的影響，且能夠輕松擴展到其他需要不同傳輸方式的應用。

ROS 擁有數千名活躍用戶，目前已是規模最大的機器人專家群體。ROS 因研究而誕生，現已演進發展有十多年的時間，在各種應用領域得到廣泛采用，并且還能服務于工業需求。

ROS 不僅提供工具、庫和慣例，而且還擁有不斷擴大的機器人專家社區。從概念上講，ROS 在大多數方面圍繞著被稱為 ROS 計算圖的抽象。計算圖內的每個節點都能開展機器人計算，并通過用底層通信中間件實現的通用點對點數據總線與其他節點交換信息。數據總線內的通信通道按話題組織。因此，機器人的總體行為取決于計算圖，而計算圖可以實現在一部或多部計算機上（以分布方式）。這就完成了第二次抽象，也就是將計算圖映射到機器人中可用的計算基干形成 ROS 數據層圖。數據層圖代表的是物理分組和連接，用于在計算圖中實現建模行為。簡單地說，其捕獲的是機器人的物理現實，包括通信總線、機器人組件（包括傳感器和/或致動器），以及計算圖與現有機器人組件中可用的計算基干間的映射。

ROS 計算圖可以涉及一個或多個機器人，并且本質上是模塊化的，能夠以分布式或集中式的方式實現。圖 2 所示的是 ROS 計算圖（圖 2 的上部分）和數據層圖（圖 2 的下部分）。表 1 是對一些最重要的ROS概念的總結。

（b）ROS 2 數據層圖：表示用于在計算圖中實現建模行為的物理分組和連接。

圖2： ROS 抽象用于具備導航能力的 2 輪機器人

表 1：ROS 最相關概念的總結

要點總結： ROS 計算圖是一種為機器人總體行為建模的數據結構，而數據層圖捕獲的則是機器人組件（用于在計算圖中實現建模行為）的物理分組和連接。