ROS是機器人操作系統(tǒng)（Robot Operating System）的英文縮寫。ROS是用于編寫機器人軟件程序的一種具有高度靈活性的軟件架構(gòu)。ROS的原型源自斯坦福大學的STanford Artificial Intelligence Robot (STAIR) 和 Personal Robotics (PR)項目。

機器人的工業(yè)界和學術界在軟件工具的使用上是有明顯的分歧的。由于機器人的工業(yè)界并不像消費類電子這樣出貨量巨大，所以絕對高的技術壁壘和封閉的生態(tài)是十分常見的。為了提高自己的技術壁壘，這些公司往往會自己設計一整套封閉的軟硬件，以達到讓其他人（競爭對手或開發(fā)者）無法用自己的工具替換之的目的。而學術界，學生和老師們?yōu)榱藴p少重復造輪子的工作，往往會擁抱開源社區(qū)，選擇現(xiàn)有的工具進行開發(fā)和研究，最廣為人知的便是ROS(Robot Operating System)。

ROS是什么

ROS/ROS 2并不是一個軟件，而是一系列軟件的集合。一般我們稱之為軟件解決方案堆棧。包含如硬件驅(qū)動程序、網(wǎng)絡模塊、通信架構(gòu)和機器人算法實現(xiàn)等等。ROS將所有這些功能包放在一個保護傘下，因此開發(fā)人員無需重新造輪子。

ROS并不是一個操作系統(tǒng)，而一般稱之為元操作系統(tǒng)，即基于操作系統(tǒng)以上的類操作系統(tǒng)。

ROS并不是一個中間件，因為它實現(xiàn)了包括感知、導航、控制、運動規(guī)劃和仿真等多種功能。

ROS

ROS1.0版本發(fā)布于2010年，基于PR2機器人開發(fā)了一系列機器人相關的基礎軟件包。隨后ROS版本迭代頻繁，ROS的版本一般會隨著Ubuntu系統(tǒng)長期支持(LTS)版本而更新，其中ROS目前最新的版本都已經(jīng)適配到Ubuntu 20.04 LTS。ROS僅在Ubuntu上進行CI測試，但是社區(qū)成員積極支持其他Linux版本、Mac OS X、Android、Windows，使得ROS可以兼容，但僅提供有限制性的功能支持。

ROS的歷史版本

ROS的優(yōu)缺點對比

ROS為我們開發(fā)機器人帶來了許多方便,然而它也確實存在一些問題:

ROS的成熟案例

ROS已經(jīng)走過十個年頭，伴隨著機器人技術的大發(fā)展，ROS也得到了極大的推廣和應用。盡管ROS還存在不少局限性，但無法掩蓋ROS的鋒芒，社區(qū)內(nèi)的功能包還是呈指數(shù)級逐年上漲，為機器人開發(fā)帶來了巨大的便利。不少開發(fā)者和研究機構(gòu)還針對ROS的局限性進行了改良，但這些局部功能的改善往往很難帶來整體性能的提升，在行業(yè)內(nèi)也積累了大量成熟的應用：

機械臂控制器中領軍企業(yè)KEBA，他們的控制器已經(jīng)支持ROS ：

美國NASA基于ROS開發(fā)的Robonaut 2：

百度apollo無人車的底層是基于ROS開發(fā)的：

總體來說，ROS更適合科研和開源用戶使用，如果在工業(yè)場景應用(例如無人駕駛)還需要做優(yōu)化和定制，目前ROS已經(jīng)停止更新，機器人開發(fā)者對新一代ROS的呼聲越來越大，ROS2.0的消息也不絕于耳。

ROS 2

ROS無法真正進入產(chǎn)業(yè)界，也自然無法產(chǎn)品化。為了解決這一問題，社區(qū)提出了ROS 2。使得ROS具備產(chǎn)品化的特性，包括實時性、適應于全平臺、適用于性能低的硬件（MCU+RTOS）、分布式、數(shù)據(jù)加密和現(xiàn)代編程語言的支持。

ROS 2的歷史版本

實時化與分布式

為了解決消息間通訊的去中心化和實時性問題，ROS 2引入了Data Distribution Service（DDS），一種已經(jīng)廣泛應用于國防、民航、工業(yè)控制等領域，成為分布式實時系統(tǒng)中數(shù)據(jù)發(fā)布/訂閱的標準解決方案。如下圖所示，左邊是ROS 1，右邊是ROS 2。

在ROS 1中，用戶的每個節(jié)點，無論是同一設備還是不同設備，必須已知Master節(jié)點的IP，并且全部依賴于Master節(jié)點進行通訊，一旦Master節(jié)點發(fā)生故障或該設備發(fā)生故障，則整個環(huán)境的所有節(jié)點功能盡失。無法恢復。也正因為這一點，ROS 1無法應用于正式的產(chǎn)品。

ROS 2引入了基于DDS的去中心化的數(shù)據(jù)通訊方式，不同節(jié)點可以通過未知IP的方式進行通訊，也進而有助于解決多機器人系統(tǒng)的問題。并且ROS 2也引入了 Quality of Service的機制，通過設定不同的服務質(zhì)量來保障某些較差網(wǎng)絡環(huán)境下也可以具備良好的通訊效果。

實時性

而對于實時性，由于DDS在諸多工業(yè)和產(chǎn)業(yè)有諸多應用，具有良好的生態(tài)，其性能毋庸置疑。如下圖的測試結(jié)果：

測試設備為兩臺PowerEdge R330 e34s

OS: Ubuntu 18.04.2 LTS bionic

Architecture: x86_64

CPU(s): 8

Thread(s) per core: 2

Model name: Intel(R) Xeon(R) CPU E3-1230 v6 @ 3.50GHz

以Fast-RTPS為例，可以看到從延時上，在該雙設備間通訊中可以穩(wěn)定在100μs以下，而吞吐量的帶寬也達到了750Mbit/s以上。詳細的跑分數(shù)據(jù)可以參考Fast-RTPS vs Cyclone DDS vs OpenSplice DDS進行了解，且同設備內(nèi)的通訊效率會遠超該結(jié)果。

數(shù)據(jù)加密

ROS 2在DDS的基礎之上引入了SROS的概念，設計文檔參考ROS 2 DDS-Security integration，即所有的ROS 2消息均可通過SROS進行加解密、鑒權(quán)、授權(quán)控制、Log和數(shù)據(jù)標記的權(quán)限控制等。基于ROS 2的原本設計邏輯，我們甚至可以將數(shù)據(jù)的密鑰生成和存儲放到ARM TEE OS中，以實現(xiàn)較高安全的數(shù)據(jù)保證

現(xiàn)代編程語言的支持

由于ROS 1的最初發(fā)行版在2007年，長期以來的支持和眾多開發(fā)庫的支持導致很多語言的新特性并不能良好地應用。比如對于Python，直至2020年發(fā)布的Noetic版本中才首次支持了Python 3，而Python 2在2020年1月便已經(jīng)停止進行支持了。再如C++，ROS 1是基于C++ 03實現(xiàn)的，對于C++ 11的支持并不好，更不用談C++ 14和C++ 17的支持。

ROS 2則完全支持Python 3，并基于現(xiàn)代C++編寫。并基于其松耦合的方式，還支持Java和Rust等編程語言。如下圖User Application下面那一行所示，只要開發(fā)者愿意，可以支持任何編程語言。

靈活的機制

ROS 2提供了一種基于生命周期的管理模式， 即每個節(jié)點的運行狀態(tài)是完全可控的。參考設計文檔Managed nodes的闡述。所有Managed節(jié)點都可以在運行時進行實時配置、管理、關閉和啟動，并在出錯時可以由管理節(jié)點進行喚醒和重置。這種方式保證了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性，也提高了系統(tǒng)出錯后恢復到正常的能力。

ROS 2在運行時可以更換DDS中間件，也可以在不同DDS中間件的實現(xiàn)間進行通訊。

5G的支持

ROS 2在Ericsson的推動下，正在商討5G的ROS 2通訊方案的制定和實現(xiàn)。

全新的生態(tài)

繼承ROS 1廣博的開源生態(tài)資源，ROS 2的發(fā)布激起了大家對于ROS產(chǎn)品化的熱情，許多公司都向ROS 2貢獻方案和代碼，包括但不限于Intel、NVIDIA、Ericsson等。

除了貢獻新的代碼，ROS 1的優(yōu)秀工具也都被完全繼承到ROS 2里，如Moveit、Rviz和rosbag等。并且有些模塊，如navigation（導航），在開發(fā)者的改進中升級為navigation2，改善了諸多問題，提高了使用的便利性。

多種通訊方式

ROS 2 Topic通訊節(jié)點和節(jié)點之間進行通訊的橋梁，節(jié)點可以同時發(fā)布和接收話題，節(jié)點和話題之間是多對多關系。

Service（服務）是ROS圖上節(jié)點通信的另一種方法，服務基于呼叫響應模型，而不是主題的發(fā)布者-訂閱者模型。服務端和客戶端之間，是一對一或一對多關系。

Action是ROS 2中用于長時間運行任務的通信類型之一，它們由三部分組成：目標，結(jié)果和反饋。

ROS 2的成熟案例

美軍投資的Ghost Robotics，其四足機器人使用了Eloquent版本的ROS 2進行開發(fā)，DDS方案選用的是商用的Cyclone DDS。

Mission Robotics的水下機器人（ROV），使用了Foxy版本的ROS 2進行開發(fā)。

總結(jié)

汽車產(chǎn)業(yè)真正的革命已經(jīng)開始，軟件定義汽車的時代已經(jīng)到來。汽車正加速從從機械設備向高度數(shù)字化、信息化的智能終端轉(zhuǎn)變，涉及領域龐大并且復雜。一輛自動駕駛的汽車，從某種意義上來說，也是一個自動駕駛的機器人，理所當然的可以是使用ROS 2進行開發(fā)，ROS 2提供了大量基礎組件，大大便利了包括導航算法、自動駕駛算法和一些AI算法的部署。當然ROS 2仍然有很多缺陷，ROS 2的調(diào)度模型無法搶占，有時候優(yōu)先級高的調(diào)度實例可能被低優(yōu)先級的調(diào)度阻塞，還沒有一家汽車行業(yè)公司利用ROS 2將產(chǎn)品落地。

面對這些挑戰(zhàn)，極氪的軟件及電子中心大膽嘗試，基于ROS 2的通訊框架和平臺架構(gòu)，進行基于SOA架構(gòu)的汽車操作系統(tǒng)的開發(fā)，并且取得不錯的測試效果。極氪的軟件及電子中心的在一直在前沿技術方面做深入探索，致力于打造ZEEKR OS整車操作系統(tǒng)，也歡迎各位有志之士加入我們，共同探索下一代汽車操作系統(tǒng)。