機器人程序設計之如何正確入門ROS | 硬創公開課（附視頻）

ROS和Android一樣是開源的，功能上也是相差無幾，它可以提供硬體抽象，底層設備控制，常用功能實現，進程間消息以及數據包管理。其獨特之處在於，能夠支持多種語言，如C++、Python、Octave和LISP，甚至支持多種語言混合使用，這可以簡化開發者的工作。因為它是基於Linux的系統，其可靠性也會更高，體積可以做到更小，適合嵌入式設備。

另外，ROS是一種分散式處理框架，開發者可以單獨設計可執行文件。不同節點的進程能接收、發布各種信息(例如感測，控制，狀態，規劃等等)。

與Android一樣，ROS也是業界公認的機器人三大操作系統之一（另一個為Ubuntu），不過ROS的開發門檻相對較高。Top博士自2009年第一次接觸到ROS後，便認識到其在機器人開發中的重要性，並不遺餘力在國內進行推廣。然而隨著ROS近年來火熱，在教學中也發現很多新夥伴對ROS的認識存在一些誤區，為了加快小夥伴們的學習速度，雷鋒網(公眾號：雷鋒網)本期公開課雷鋒網邀請Top和大家分享一點自己學習和使用的經驗和心得。

雷鋒網本期公開課面向想入手ROS卻又不知從何下手的小夥伴，為大家梳理好學習思路。內容包括但不限於ROS全球使用現狀、核心概念、工作原理等學習重點，及模擬環境、工具庫等需了解的內容。介紹了具體的學習路徑及有用的資源鏈接。

嘉賓介紹：

Top Liu，易科機器人實驗室、（星火計劃）ROS公開課聯合發起人，致力於機器人技術的探索與分享，撰寫各類技術文章近百篇，出版有《ROS機器人程序設計2》、《機器人編程實戰》、《嵌入式機器人學》、《機器人與未來》。

以下內容整理自Top Liu在硬創公開課的分享。

公開課視頻：

115期：機器人程序設計之如何正確入門ROS | 硬創公開課 - 騰訊視頻 https://v.qq.com/x/page/q0365z68o15.html?start=59

當前大家學習ROS還是以自學為主，所以會走很多的彎路，目前所謂的大神們也都是這樣過來的。基本上早期開發機器人大家都是各干各的，甚至是防著彼此，生怕別人把我們的代碼、設計抄襲過去，這樣其實大家就是在重複地造輪子，進行一些底層的無聊工作。

我最早接觸ROS是2009年在翻譯《嵌入式機器人學》這本書，作者托馬斯·布勞恩教授當時開發了一套RoBIOS的機器人操作系統，按照他的說法，這是最早的機器人操作系統，而且是可以嵌入式應用的。當時和他溝通，他表示不會開源，而且售價特別高，當時在網上搜索，不經意間看到了ROS，Box版本，很古老的版本。

什麼是ROS？這是個老生常談的問題，這裡用官網的定義來解釋一下。ROS是一個適用於機器人的開源的元操作系統。它不是一個真正的操作系統，但它提供了操作系統應用的服務，包括硬體抽象，底層設備控制，常用函數的實現，進程間消息傳遞，以及包管理。它也提供用於獲取、 編譯、編寫、和跨計算機運行代碼所需的工具和庫函數。 它主要採用的是松耦合點對點進程網路，目前主要支持的還是Ubuntu系統，Mac OS X支持，Windows目前有測試版本，但支持的並不很好，不推薦。

為什麼學習ROS

首先，目前機器人開發，軟體開發的比重越來越大，而軟體開發的時候軟體框架的選擇，是軟體架構設計中一個重要的決策，直接決定了軟體開發的直接效率，以及後續功能的實現程度。

目前除了ROS，還有很多類似的機器人軟體框架，包括Player、YARP、Orocos、CARMEN、Orca、MOOS，以及Microsoft Robotics Studio。

為什麼使用ROS呢？我總結了下，ROS有四大優點：1、鬆散耦合的機制方便機器人軟體框架的組織；2、最豐富的機器人功能庫，方便快速搭建原型；3、非常便利的數據記錄、分析、模擬工具，方便調試；4、學界和產業界的標準，方便學習和交流。 使用一句話總結，使用ROS，能夠方便迅速地搭建好機器人原型。當然，它的性能不是最優的，但是這四條優點足以保障它在機器人操作系統裡面的地位。

然後，ROS比較好的一點是使用了BSD許可證，這是一個非常寬鬆的開放許可證，允許在商業和閉源產品使用，這對於開發產品的創業公司是比較重要的一點。

ROS是最龐大的使用者群體，是事實上的機器人標準，這是麻省理工在一篇文章中給出的評論。然後在2016年ROS大會數據顯示，目前在使用操作系統做開發的人員用戶超過35萬，其中活躍用戶美國占第一位，中國占第二位。

在學術研究領域，基本上機器人演算法都會給出ROS版本的源程序。最早在2009年ROS發布的「ROS: an open source Robot Operating System」 論文，目前已經被引用了2871次。

2016年官方支持ROS的機器人超過了100個。目前已經有很多機器人公司採用了ROS系統來開發一些應用於全新市場的產品，如ClearPath、Rethink、Unbounded、Neurala、Blue River、Big-i，最典型的就是Willow Garage的PR2機器人。投資機構也對創業公司給予了極大的支持，僅2015年相關風險投資機構就在基於ROS操作系統的機器人公司投資了超過1.5億美元。Nvidia、博世、高通、英特爾、寶馬以及大 疆等大公司也紛紛推出ROS介面。

這是ROS當前的代碼統計量，總行數已經超過了1400萬，超過2477名作者。代碼語言以C++為主，63.98%的代碼是用C++寫的，排名第二的是python，佔13.57% ，也就是說ROS基本上都是使用這兩種語言，可以實現大部分的功能。

應該學什麼

要想學ROS，應該從哪裡入手，它的先後順序是怎樣的呢？ROS由四大部分構成，第一個是基礎結構，這些通訊機制是如何實現的；第二個是工具，包括模擬工具、調試工具等；第三個是體現它功能的package；第四個就是社區，如何去上面下載、發布代碼，和其他開發者交流學習。

入門的話，首先要了解這四點：設計思想，核心概念，核心模塊，核心工具。

ROS設計思想

設計思想主要是分散式架構，將機器人的功能和軟體，做成一個個節點，然後每個節點通過topic進行溝通，但你這些節點可以部署在同一台機器上，也可以部署在不同機器上，還可以部署在互聯網上。

ROS核心概念

ROS的核心概念主要是這幾個，首先是節點，然後是節點之間的通信和話題，通信的方式有兩種，一個是剛剛講的話題，一個是服務。那麼，如何管理ROS的這些節點和話題之間的溝通呢？這就需要用到Master，也就是ROS管理器，它還維持了一個參數的服務。而怎麼組織代碼，就是通過功能包集與功能包。

節點是各自獨立的可執行文件，能夠通過話題、服務或參數，與伺服器或其他進程(節點)通信。ROS通過使用節點的方式將代碼和功能解耦，提高了系統容錯能力和可維護性，使系統簡化。同時，節點允許了ROS系統能夠布置在任意多個機器上並同時運行。關於節點需要注意的事項，節點在系統中必須有唯一的名稱；節點可以使用不同的庫進行編寫，如roscpp和rospy，其中roscpp基於C++，rospy基於Python。

節點之間通過topic機制進行通信，topic機制是一個一對多的Publish/Subscribe 模式: 同一個話題也可以有很多個訂閱者，它的底層傳輸依靠的是TCP/IP，也可以是UDP。topic具體傳輸的message，具有一定的類型和數據結構，包括ROS提供的標準類型，和用戶自定義類型。

除了topic，ROS還提供另一種一對一的機制，也就是Service/Client，當你需要直接與節點通信並獲得應答時，將無法通過話題實現，這時需要使用該服務。

Master向ROS系統中其他節點提供命名和註冊服務，跟蹤和記錄話題的發布者和訂閱者，使ROS 節點之間能夠相互查找。一旦節點找到了彼此，就能建立一種點對點的通信方式。

那麼如何組織代碼呢？這主要依靠功能包(Package) ，ROS中軟體組織的基本形式，用於創建ROS程序。功能包包含源代碼和功能包清單(Manifest) 。功能包清單提供關於功能包、許可信息、依賴關係、編譯標誌等的信息。功能包清單是一個manifests.xml文件，通過這個文件能夠實現對功能包的管理。

核心模塊

ROS核心模塊包括通信結構基礎、機器人特性功能以及工具集，通信結構基礎包括消息傳遞、記錄和回放消息、遠程過程調用、分散式參數系統；機器人特性功能包括標準機器人消息，機器人幾何庫，機器人描述語言，搶佔式遠程過程調用，診斷，位資估計、定位與導航；工具集包括命令式工具、可視化工具以及圖形化介面。

核心工具

ROS擁有很多第三方的核心工具的支持，或者說Package。我們比較常見的是右邊這五個工具，Gazebo是一個三維模擬環境，OpenCV是大家非常熟悉的計算機視覺庫，PCL是點雲庫，MoveIt！是機械臂的規劃控制庫，Industrial是工業上會用的庫。左邊有三維模擬環境，另外兩個其中值得一提的是MRPT，是一個非常好的機器人編程工具箱。然後，如果對實時控制要求比較高的話，可以考慮最下邊的The Orocos Project。

ROS常用命令工具包括rostopic (Topics)、rosservice (ServiCES)、rosnode (Nodes)、rosparam (Parameters)、rosmsg (Messages)、rossrv (Services)和roswtf (General debugging) ，在這裡就不詳細展開了。

ROS用的最多的可視化工具是rqt（集成圖像交互界面）和 rviz（3D 可視化工具）。

ROS具有非常強的數據存儲/回放功能，也就是使用bag存儲topic(例如現實中的感測器數據)，以後調用bag的topic數據則不必每次都在現實中運行機器人，速度非常快。

ROS log系統記錄軟體運行相關信息，便於以後的調試。

怎麼學

首先，我們在學校學的是指導主義，也就是傳統的教學方式：老師講，學生聽，今天我在這兒其實也屬於這種模式吧，而這種模式的缺點在於開環或是閉環周期過長。另一種是建造主義，通過動手來學習，然後你可以得到實時反饋，你學到的知識就能形成一個閉環。當然，你還是要摸索出一個套路，這樣上手才能比較快。

學習步驟

當然，比較好的套路還是官網的那一套。首先按照官網的步驟安裝ROS，這個過程不要輕易問問題，因為教程里講得已經很明白了，大神們對這些問題也會比較鄙視，通常會笑而不語。另外，建議初學者一定要認真學完整20個初級教程！然後就此打住！那些中級教程就不要再看了，瀏覽下都有啥即可，以後遇到類似問題再回來看即可，這個時候你的重點就應該回到機器人學及其實踐上了，那20個初級教程都是可以在電腦上編程學習的，但不涉及機器人學。

接下來就應該運行真實的機器人、解決真實的問題。有的小夥伴就會問，沒有真實的機器人怎麼辦？當然也有辦法，你可以在模擬環境裡邊運行。

模擬環境由易到難主要有這三個：Turtlesim、ArbotiX、Gazebo。Turtlesim是一個QT開發的2D軌跡顯示界面，只能顯示運動軌跡；ArbotiX是含有一個差速驅動機器人的rviz模擬器，機器人運動及topic數據的3D顯示，但不包含物理學引擎；Gazebo是功能齊全的3D物理模擬器，不過缺點是非常重，對內存和顯卡要求高，慎入！

ROS版本那麼多，該用哪一個?

很多小夥伴會問，ROS版本那麼多，該用哪一個? 目前，ROS是一年推出一個版本。通過下載統計，我們發現現在使用最多的還是Indigo，所以對於初學者，建議還是使用這個版本，因為這是目前使用人數最多、坑最少的版本。而如果Linux編程能力比較強的，可以使用Kinetic，它可以一直支持到2021年。然後，你在選擇Ubuntu版本時，要與ROS版本需匹配。

命令行不熟悉怎麼辦? 有IDE

現在已經有很多IDE了，值得一提的是這個RoboWare Studio是我們中國團隊開發的一個開源IDE，目前剛剛推出64位版本。最近我也和RoboWare Studio的王博士交流了一下，他表示之後會推出32位版本，包括Arm集成開發環境的，而且承諾是免費的，以後也會在適當的時候開源。

不熟悉Linux怎麼辦?

其實學習ROS並不難，而很多小夥伴遇到的問題在於對於Linux不熟悉。這個只能邊用邊學了，遇到問題也要善用搜索，基本上這些問題都能在搜索中找到答案。教程推薦這兩個版本，一個是英文版本，一個中文版本。書的話，推薦《鳥哥的Linux私房菜》吧！

ROS和ROS2.0該學習哪個呢?

對於大眾學習者、普通開發者、機器人演算法開發者，在2017年仍推薦使用ROS。對於軟體架構的學習者、強調實時性的開發者，建議關注ROS2.0 。另外，我在知乎上對於這個問題也有詳細的回答，有興趣的可以去看看。

Q&A 環節

Q：請問除了ROS還有其他哪些常用的實時嵌入式操作系統？

A：關於機器人目前操作系統哪家強這個問題，目前已經形成了各個陣營，我們最近會組織一場辯論。主要是現在服務機器人用安卓的比較多。實時系統的話，我建議不要用ROS，因為ROS設計對象是家用移動智能機器人，當初的設計就不是針對實時控制的，不過ROS 2.0已經加入了實時性這個特性，大家可以關注一下。

Q：硬體方面有什麼要求呢？

A：剛才講了ROS它具備操作系統的特性，其中一個特性就是對於硬體的抽象，如果你用ROS的話，你不用過多關注底層硬體的東西，因為大家都是按照標準來做好封裝，你直接調用就OK，你主要的精力還是放在機器人系統的設計和演算法的開發上。

Q：您覺得ROS在目前火熱的自動駕駛領域應用前景如何？

A：據我所知，自動駕駛領域一些大企業也是用ROS開發的，它的最終產品不一定是基於ROS，但是研發階段我相信是會用到的，據所了解確實有一些是在用的。

Q：ROS未來能不能發展成完全替代Linux和Window？

A：ROS不會替代Linux和Window，它根本就是兩回事兒。Linux和Window是一個基本的操作系統，ROS是完全針對機器人的上層架構，它可以依賴於Linux和Window，當然2.0開始，也開始獨立地去工作。所以，你要搞清楚，哪些是ROS可以做，哪些是它不擅長的領域。

Q：像美國剛剛搞的蜂群無人機，在ROS上是否能實現？

A：目前用ROS開發不是很好實現，如果用ROS 2.0，應該是可以的。因為ROS它用在分散式系統上，一個比較大的問題是需要一個Master，分散式系統是不需要Master的，所以如果你非要用ROS的話，就有點彆扭。而ROS 2.0是沒有中心節點的，是沒有Master的，完全分散式架構，那應該適用於多機器人的應用場景。

編者按：關注雷鋒網機器人垂直欄目微信公眾號「新智造」，可獲取嘉賓完整PPT。

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