機器人操作系統（ROS）史話篇連載3（起源）

張新宇

計算機使用的操作系統，英語稱為Operating System，縮寫為OS。它是一種計算機程序，幫助使用計算機的人操控計算機硬體、管理各種應用軟體。人們聽說過的硬體包括：CPU、主板、內存、硬碟、顯示器、印表機、U盤等；人們常用的應用軟體有：文字處理軟體，比如微軟開發的Word，幻燈片製作軟體，比如微軟開發的PowerPoint，看電影的軟體，比如微軟的視頻播放器，瀏覽網頁的軟體，比如谷歌的Chrome、聊天軟體，比如騰訊的QQ和微信等等。

一開始，計算機比較簡單，並沒有操作系統，人們通過各種操作按鈕就可以控制計算機，但是這種操作方式效率比較低。後來人們通過有孔的紙帶將程序輸入計算機進行編譯，再通過程序員自己編寫的程序運行，這種方式效率還是很低。為了更有效的管理計算機硬體，並提高計算機程序的開發效率，就出現了操作系統。

與計算機操作系統類似，機器人操作系統的出現也遵循這樣一個規律：為了提高機器人設計和開發的效率。機器人操作系統英語稱為Robot Operating System，縮寫為ROS。

故事起源

ROS最早是在美國斯坦福大學[1]的人工智慧實驗室和矽谷的一家機器人公司Willow Garage開展的一個個人機器人項目[2]。

ROS的系統架構是由Morgan Quigley設計的，他當時還是美國斯坦福大學博士生，他的博士導師是中國知名度非常高的Andrew Ng（吳恩達）[3]。

在與Willow Garage合作之前，Morgan Quigley就已經開始在美國斯坦福大學人工智慧實驗室內部的STAIR[4]機器人項目中負責軟體架構設計和項目開發了。

當時這個STAIR項目希望完成一個服務機器人原型，在視覺的輔助下，可以在複雜環境中運動，還可以通過機械臂操控環境中的物體。STAIR機器人配備了一個運動底盤，一個小型機械臂，立體攝像頭、激光雷達。一個STAIR項目由幾個小組分別負責不同的模塊，分頭推進。Morgan Quigley負責導航組，同時負責軟硬體模塊的系統集成。Morgan Quigley發現將操控、導航、視覺等各種功能集成在一個機器人上非常不容易，因此他考慮採用「分散式計算」的方式。2007年，Morgan Quigley和吳恩達將STAIR的成果發表在IEEE 國際機器人與自動化會議上，文章的題目是《STAIR: Hardware and Software Architecture》，軟體系統的名稱是Switchyard[5]。這個Switchyard就是ROS前身。

後來 吳恩達與Willow Garage合作共同開發ROS，Morgan Quigley將前期在STAIR項目積累的經驗發揮的淋漓盡致，成為ROS開發框架的核心人物。2009年Morgan Quigley、吳恩達和Willow Garage機器人公司的工程師們，在當年的IEEE 國際機器人與自動化會議上發表了《ROS: An Open-Source Robot Operating System》，正式向外界介紹ROS。

正如文章中說強調的：

ROS is not an operating system in the traditional sense of process management and scheduling; rather, it provides a structured communications layer above the host operating systems of a heterogenous compute cluster. （ROS不是傳統意義上的操作系統，不是用於進程管理和調度，而是構建在其它操作系統之上的一種結構化的通訊層。）

圖： 從左到右： Morgan Quigley，Andrew Ng（吳恩達），美國斯坦福大學的人工智慧實驗室的STAIR機器人不同版本。人們一般很難想像，老氣橫秋的大鬍子Morgan Quigley是看著青春無限Andrew Ng的學生。吳恩達因為是華人，所以特別受中國人的追捧，中國的互聯網公司「百度」一時還聘請他做了首席科學家。

從2008年開始， Willow Garage開始主導ROS的開發，Morgan Quigley監督著ROS的進展。

2010年，隨著PR2正式對外發布，Willow Garage也正式推出ROS1.0。

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[1] 斯坦福大學（Stanford University）：位於美國矽谷，世界頂級大學，以創新創業出名。想了解斯坦福大學和矽谷的故事，推薦看一看《矽谷傳奇》（吳軍著）和《大學之路》（吳軍著）兩本書。

[2] ROS: An Open-Source Robot Operating System，2009年在IEEE機器人與自動化大會發表（IEEE ICRA 2009）

[3] 吳恩達的經歷非常豐富，最早成名於斯坦福大學AI實驗室，在斯坦福大學開設了一門慕課（MOOC，網上開放課程）「機器學習」，聽課的學生有十萬多人，後來他跟他的好朋友創辦了在線教育平台Coursera。現在Coursera已經發展成世界最大的慕課平台。還在谷歌領導了「谷歌大腦」項目，擔任百度公司首席科學家，領導百度的「人工智慧研究院」。吳恩達2017年3月從百度離職。

[4] STAIR: STanford Artificial Intelligence Robot

[5] Morgan Quigley, Eric Berger, Andrew Y. Ng. STAIR: Hardware and Software Architecture, IEEE ICRA 2007