ROS2探索总结(八)—— What is ROS 2.0 ?

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上篇“Why ROS 2.0”之后,这篇我们继续“What is ROS 2.0”。

一、ROS 2的设计目标

相比ROS 1,ROS 2的设计目标更加丰富:

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  • 支持多机器人系统

ROS 2增加了对多机器人系统的支持,提高了多机器人之间通信的网络性能,更多多机器人系统及应用将出现在ROS社区中。

  • 铲除原型与产品之间的鸿沟

ROS 2不仅针对科研领域,还关注机器人从研究到应用之间的过渡,可以让更多机器人直接搭载ROS 2系统走向市场。

  • 支持微控制器

ROS 2不仅可以运行在现有的X86和ARM系统上,还将支持MCU等嵌入式微控制器,比如常用的ARM-M4、M7内核。

  • 支持实时控制

ROS 2还加入了实时控制的支持,可以提高控制的时效性和整体机器人的性能。

  • 跨系统平台支持

ROS 2不止能运行在Linux系统之上,还增加了对Windows、MacOS、RTOS等系统的支持,让开发者的选择更加自由。

二、ROS 2的系统架构

ROS 2重新设计了系统架构,可以从下图中看到两代ROS之间架构的变化:

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  • OS层

ROS 1主要构建于Linux系统之上;ROS 2带来了改变,支持构建的系统包括Linux、Windows、Mac、RTOS,甚至没有操作系统的裸机。

  • 中间层

ROS中最重要的一个概念就是计算图中的“节点”,可以让开发者并行开发低耦合的功能模块,并且便于二次复用。ROS 1的通信系统基于TCPROS/UDPROS,而ROS 2的通信系统基于DDS。

DDS是一种分布式实时系统中数据发布/订阅的标准解决方案。ROS 2内部提供了DDS的抽象层实现,用户不需要关注底层DDS的提供厂家。

在ROS 1的架构中,Nodelet和TCPROS/UDPROS是并列的层次,可以为同一个进程中的多个节点提供一种更优化的数据传输方式。ROS 2中也保留了类似的数据传输方式,叫做“Intra-process”,同样独立于DDS。

  • 应用层

ROS 1强依赖于ROS Master,可以想象一旦Master宕机,整个系统会面临如何的窘境。但是在右边ROS 2的架构中,让人耿耿于怀的Master终于消失了,节点之间使用一种称为“Discovery”的发现机制来帮助彼此建立连接。

三、ROS 2的关键中间件——DDS

DDS(Data Distribution Service),即数据分发服务,2004年由对象管理组织OMG(Object Management Group)发布,是一种专门为实时系统设计的数据分发/订阅标准。

DDS最早应用于美国海军,解决舰船复杂网络环境中大量软件升级的兼容性问题,目前已经成为美国国防部的强制标准,同时广泛应用于国防、民航、工业控制等领域,成为分布式实时系统中数据发布/订阅的标准解决方案。

其技术关键是以数据为核心的发布/订阅模型(Data-Centric Publish-Subscribe ,DCPS),这种DCPS模型创建了一个“全局数据空间”(global data space)的概念,所有独立的应用都可以访问。

目前已经有多家DDS厂商可以提供相关技术,包括可供ROS使用的开源版本和商业版本。

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四、ROS 2的通信模型

ROS 1的通信模型主要包含话题、服务等通信机制,ROS 2的通信模型会稍显复杂,加入了很多DDS的通信机制。

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基于DDS的ROS 2通信模型包含以下几个关键概念:

  • 参与者(Participant)

在DDS中,每一个发布者或者订阅者都称为参与者,对应于一个使用DDS的用户,可以使用某种定义好的数据类型来读写全局数据空间。

  • 发布者(Publisher)

数据发布的执行者,支持多种数据类型的发布,可以与多个数据写入器(DataWriter)相联,发布一种或多种主题(Topic)的消息。

  • 订阅者(Subscriber)

数据订阅的执行者,支持多种数据类型的订阅,可以与多个数据读取器(DataReader)相联,订阅一种或多种主题(Topic)的消息。

  • 数据写入器(DataWriter)

上层应用向发布者更新数据的对象,每个数据写入器对应一个特定的Topic,类似于ROS 1中的一个消息发布者。

  • 数据读取器(DataReader)

上层应用从订阅者读取数据的对象,每个数据读取器对应一个特定的Topic,类似于ROS 1中的一个消息订阅者。

  • 话题(Topic)

和ROS 1中的概念类似,话题需要定义一个名称和一种数据结构,但ROS 2中的每个话题都是一个实例,可以存储该话题中的历史消息数据。

  • 质量服务原则(Quality of Service)

简称QoS Policy,这是ROS 2中新增的、也是非常重要的一个概念,控制各方面与底层的通信机制,主要从时间限制、可靠性、持续性、历史记录这几个方面,满足用户针对不同场景的数据需求。

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  • 实时性增强:数据必须在deadline之前完成更新;
  • 持续性增强:DDS可以为ROS 2提供数据历史服务,新加入的节点也可以获取发布者发布的所有历史数据;
  • 可靠性增强:配置可靠性原则,用户可以根据需求选择性能模式(BEST_EFFORT)或者稳定模式(RELIABLE)。


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