《鴻蒙機(jī)器人編程》1-ROS起源及特色 -教案

ROS星火計(jì)劃 ROS起源及特色 NXROBO&ExBotROS起源及特色什么是ROS?RobotOperatingSystem(ROS)是一個(gè)適用于機(jī)器人的開(kāi)源的元操作系統(tǒng)。它提供了操作系統(tǒng)應(yīng)有的服務(wù)，包括硬件抽象，底層設(shè)備控制，常用函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)程間消息傳遞，以及包管理。它也提供用于獲取、編譯、編寫(xiě)、和跨計(jì)算機(jī)運(yùn)行代碼所需的工具和庫(kù)函數(shù)。松耦合點(diǎn)對(duì)點(diǎn)進(jìn)程網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)分布式的通信框架，幫助程序進(jìn)程之間更方便地通信。支持的操作系統(tǒng)：ROS主流在基于Unix的平臺(tái)上運(yùn)行。ROS的軟件主要在Ubuntu和MacOSX系統(tǒng)上測(cè)試，同時(shí)ROS小區(qū)仍持續(xù)支持Fedora，Gentoo，ArchLinux和其它Linux平臺(tái)。MicrosoftWindows已開(kāi)始支持ROS，功能尚待完善。從計(jì)算圖視角理解ROS：ROS中可執(zhí)行程序的基本單位叫節(jié)點(diǎn)（node）節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)消息、服務(wù)、動(dòng)作等機(jī)制進(jìn)行通信這樣就組成了一張網(wǎng)狀圖，也叫計(jì)算圖從文件系統(tǒng)視角理解ROSROS程序的不同組件放在不同的文件夾中文件夾根據(jù)不同的功能對(duì)文件進(jìn)行組織這就是ROS的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從開(kāi)源社區(qū)視角理解ROSROS是開(kāi)源軟件，全球機(jī)器人專(zhuān)家分享、貢獻(xiàn)自己的智慧在網(wǎng)絡(luò)社區(qū)分享和貢獻(xiàn)軟件及教程形成了強(qiáng)大的ROS開(kāi)源社區(qū)ROS的起源脫胎于斯坦福的STAIR項(xiàng)目成長(zhǎng)于PR2機(jī)器人項(xiàng)目，ROS是該項(xiàng)目的軟件部分遵循OS理念：為了提高機(jī)器人設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)效率避免機(jī)器人領(lǐng)域工作者重復(fù)造輪子，統(tǒng)一了開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)為什么學(xué)習(xí)ROS?機(jī)器人開(kāi)發(fā)：軟件開(kāi)發(fā)的比重越來(lái)越大軟件框架選擇：是軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的決策ROSPlayerYARPOrocosCARMENOrcaMOOSMicrosoftRoboticsStudioROS的優(yōu)勢(shì)松散耦合的機(jī)制方便機(jī)器人軟件框架的組織最豐富的機(jī)器人功能庫(kù)方便快速搭建原型便利的數(shù)據(jù)記錄、分析、仿真工具，方便調(diào)試學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)方便學(xué)習(xí)和交流對(duì)于開(kāi)發(fā)者：快速搭建機(jī)器人原型通過(guò)ROS平臺(tái)學(xué)習(xí)先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)掌握機(jī)器人框架體系構(gòu)建學(xué)習(xí)先進(jìn)的機(jī)器人算法跟蹤當(dāng)前最先進(jìn)的硬件技術(shù)把握技術(shù)潮流跟蹤技術(shù)前沿對(duì)于企業(yè)：License許可ROS的核心是BSD許可證。這是一個(gè)非常寬松的開(kāi)放許可證。允許在商業(yè)和閉源產(chǎn)品使用。/licenses/BSD-3-Clause/wiki/BSD_licenses對(duì)于研究人員：豐富的資源，最新的成果目前學(xué)術(shù)領(lǐng)域大部分最新成果都會(huì)發(fā)布ROS的版本“ROS:anopensourceRobotOperatingSystem”(Quigleyetal.,2009)論文引用量9869Source:GoogleScholar2022-07-13最龐大的使用者群體，事實(shí)上的機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)2018年數(shù)據(jù)：目前在使用操作系統(tǒng)做開(kāi)發(fā)的人員用戶(hù)超過(guò)60萬(wàn)。（個(gè)人用戶(hù)中國(guó)第二）官方支持ROS的機(jī)器人100+產(chǎn)品：目前已經(jīng)有很多機(jī)器人公司采用了ROS系統(tǒng)來(lái)開(kāi)發(fā)一些應(yīng)用于全新市場(chǎng)的產(chǎn)品，如ClearPath，Rethink，Unbounded，Neurala，BlueRiver，BIG-i，最典型的就是WillowGarage的PR2機(jī)器人。大公司的支持：Nvidia、博世、谷歌、高通、英特爾、寶馬、小米、華為以及大疆等。投資機(jī)構(gòu)的熱捧：僅2015年，相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)投資機(jī)構(gòu)就在基于ROS操作系統(tǒng)的機(jī)器人公司投資了超過(guò)1.5億美元。代碼統(tǒng)計(jì)Thetotallinecountisover14millionlinesofcodeTherehavebeen2477authorsAnd181509commitsAveraging73.3commitsperauthor代碼語(yǔ)言cpp:2608592(63.98%)python:553332(13.57%)ansic:297629(7.30%)xml:280615(6.88%)lisp:149439(3.67%)java:135343(3.32%)ruby:26484(0.65%)sh:21120(0.52%)ROS的不足目前基于Ubuntu系統(tǒng)，移植嵌入式系統(tǒng)困難無(wú)實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)體積較大系統(tǒng)整體運(yùn)行效率低總的來(lái)說(shuō)，ROS不擅長(zhǎng)開(kāi)發(fā)對(duì)實(shí)時(shí)性及成本要求嚴(yán)苛的產(chǎn)品。一句話概括ROS幫助你快速制作機(jī)器人的眾多軟件庫(kù)和工具的集合。規(guī)定了統(tǒng)一通信接口的松耦合分布式開(kāi)源軟件框架。最大的好處：即插即用，提供統(tǒng)一軟件接口，事實(shí)上的機(jī)器人研究的統(tǒng)一平臺(tái)。有了統(tǒng)一的平臺(tái)，我們才有共同交流的可能，以上也是我們學(xué)習(xí)ROS的主要原因。ROS應(yīng)用場(chǎng)景商業(yè)上的機(jī)器人產(chǎn)品一般會(huì)給出ROS的軟件接口（比如ROS-I基于的工業(yè)機(jī)器人的MoveIt!接口）商業(yè)上很多機(jī)器人相關(guān)軟件也會(huì)給出ROS界面（比如Webots仿真器，MATLAB的robotsystemtoolbox），從一方面說(shuō)明ROS的普及程度。ROS現(xiàn)在最廣泛的用途：算法與硬件的快速結(jié)合，系統(tǒng)集成方案快速構(gòu)建、評(píng)估與驗(yàn)證?，F(xiàn)階段不建議將ROS整體、直接用于對(duì)實(shí)時(shí)性及成本要求嚴(yán)苛的產(chǎn)品。ROS2.0：新的架構(gòu)（取消了Master），新的通信機(jī)制（DDS數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議），對(duì)實(shí)時(shí)性的支持，有望實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用。ROS應(yīng)該學(xué)什么入門(mén)起步設(shè)計(jì)思想核心概念核心模塊核心工具設(shè)計(jì)思想：分布式架構(gòu)核心概念Nodes(節(jié)點(diǎn))MessagesandTopics(消息與話題)Services(服務(wù))ROSMaster(ROS管理器)Parameters(參數(shù))Stacksandpackages(功能包集與功能包)ROSNodes節(jié)點(diǎn)是各自獨(dú)立的可執(zhí)行文件，能夠通過(guò)話題、服務(wù)或參數(shù)服務(wù)器與其他進(jìn)程（節(jié)點(diǎn)）通信。ROS通過(guò)使用節(jié)點(diǎn)將代碼和功能解耦，提高了系統(tǒng)容錯(cuò)能力和可維護(hù)性，使系統(tǒng)簡(jiǎn)化。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)允許了ROS系統(tǒng)能夠布置在任意多個(gè)機(jī)器上并同時(shí)運(yùn)行。節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)中必須有唯一的名稱(chēng)。節(jié)點(diǎn)可以使用不同的庫(kù)進(jìn)行編寫(xiě)，如roscpp和rospy。roscpp基于C++rospy基于Python。ROSTopics話題是節(jié)點(diǎn)間用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)的總線。1-to-NPublish/Subscribe模式:同一個(gè)話題也可以有很多個(gè)訂閱者。使用TCP/IP傳輸，稱(chēng)為T(mén)CPROS，ROS默認(rèn)。使用UDP傳輸，稱(chēng)為UDPROS，適合于遠(yuǎn)程操控任務(wù)。（低延遲高效率的傳輸方式，但可能產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失）。ROSMessages一個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)向特定話題發(fā)布消息。消息具有一定的類(lèi)型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括ROS提供的標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)型和用戶(hù)自定義類(lèi)型。消息的類(lèi)型標(biāo)準(zhǔn)命名方式進(jìn)行約定：功能包名稱(chēng)/.msg文件名。最常用的有g(shù)eometry_msgs/Twist包括線速度和角速度Vectors三維向量ROSServices1-to-1Service/Client模型：當(dāng)你需要直接與節(jié)點(diǎn)通信并獲得應(yīng)答時(shí)，將無(wú)法通過(guò)話題實(shí)現(xiàn)，這時(shí)需要使用服務(wù)。服務(wù)需要由使用者開(kāi)發(fā)，節(jié)點(diǎn)并不提供標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)。命令行工具：rossrv查看有關(guān)服務(wù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的信息rosservice列出服務(wù)清單和查詢(xún)某個(gè)服務(wù)ROSMaster向ROS系統(tǒng)中其他節(jié)點(diǎn)提供命名和注冊(cè)服務(wù)跟蹤和記錄話題的發(fā)布者和訂閱者使ROS節(jié)點(diǎn)之間能夠相互查找。一旦節(jié)點(diǎn)找到了彼此，就能建立一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式。提供參數(shù)服務(wù)器ParameterServer參數(shù)服務(wù)器是可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)的共享的多變量字典。節(jié)點(diǎn)使用此服務(wù)器來(lái)存儲(chǔ)和檢索運(yùn)行時(shí)的參數(shù)。ROSPackages功能包（Package）ROS中軟件組織的基本形式，用于創(chuàng)建ROS程序。它包含源文件、腳本文件、配置文件、可執(zhí)行文件等。本質(zhì)是一個(gè)特殊的文件夾，此文件夾中的文件和子文件夾按前面所說(shuō)的文件系統(tǒng)的約定來(lái)編排，以方便管理、編譯、使用此功能包。功能包管理：package.xml和CMakelists.txt文件，其中package.xml用來(lái)描述此功能包的基本信息，包括包名、作者、包之間的依賴(lài)等。CMakelists.txt主要描述如何構(gòu)建、編譯此功能包程序。ROSPackageSystem核心模塊ROSPackage種類(lèi)ROS常用命令工具rostopic(Topics)rosservice(Services)rosnode(Nodes)rosparam(Parameters)rosmsg(Messages)rossrv(Services)roswtf(Generaldebugging)ROS常用可視化工具rviz–3D可視化工具rqt–集成圖像交互接口怎么學(xué)習(xí)ROS?兩種教學(xué)模式InstructionismVs.Constructionism指導(dǎo)主義（Instructionism）：傳統(tǒng)教學(xué)方式：老師講，學(xué)生聽(tīng)。特點(diǎn)：開(kāi)環(huán)，或是死循環(huán)周期過(guò)長(zhǎng)，等到期末考試或若干年工作后。建造主義（Constructionism）：Learningbymaking，closetheloopofunderstandingAstepbystepguide學(xué)習(xí)步驟安裝:/ROS/Installation官網(wǎng)教程:/ROS/Tutorials建議初學(xué)者認(rèn)真學(xué)完整個(gè)“初級(jí)”20個(gè)教程！聽(tīng)到最多的問(wèn)題之一：?jiǎn)枺豪蠋煟襱utorials做完了，接下來(lái)該干什么？答：運(yùn)行真實(shí)的機(jī)器人、解決真實(shí)的問(wèn)題！問(wèn)：沒(méi)有機(jī)器人怎么辦？答：仿真環(huán)境仿真環(huán)境：由易至難Turtlesim一個(gè)QT開(kāi)發(fā)的2D軌跡顯示接口只能顯示運(yùn)動(dòng)軌跡ArbotiX含有一個(gè)差速驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的rviz仿真器機(jī)器人運(yùn)動(dòng)及topic數(shù)據(jù)的3D顯示Gazebo功能齊全的3D物理仿真工具非常重，對(duì)內(nèi)存和顯卡要求高，慎入！進(jìn)階部分結(jié)合硬件平臺(tái)和具體應(yīng)用學(xué)習(xí)使用各種packageOpenCV、PCL、MoveIt!、Control、Navigation、SLAM在開(kāi)發(fā)過(guò)程中學(xué)習(xí)使用調(diào)試仿真工具rqt、rviz、Gazebo開(kāi)發(fā)測(cè)試新的機(jī)器人算法集成各類(lèi)package構(gòu)建機(jī)器人原型ROS版本那么多，該用哪一個(gè)？下載使用統(tǒng)計(jì)Hydroandearlier:0.17%Indigo:14.50%(LongTermSupport)Jade:0.50%Kinetic:62.89%(LongTermSupport)Lunar:2.70%Melodic:6.49%(LongTermSupport)版本選擇建議初學(xué)者：KineticLinux程序設(shè)計(jì)能力比較強(qiáng)的：Melodic注意：Ubuntu版本要與ROS版本需匹配ROSIndigo+Ubuntu(14.04.1LTS)ROSKinetic+Ubuntu(16.04LTS)ROSDistributionReleases命令行不熟悉怎么辦？有IDE/IDEsEclipseCodeBlocksEmacsVimNetBeansQtCreatorQtCreatorPluginforROSPyCharm(communityedit