【机器人-开发工具】ROS 2（1）介绍

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于 2025-03-13 12:00:57 首次发布

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1. 概述与发展背景

ROS2（Robot Operating System 2）是为了解决ROS1在实时性、安全性、多平台支持以及分布式系统等方面的局限而推出的改进版本。ROS2不仅延续了ROS1开源、模块化和社区协作的传统，而且在通信中间件、调度机制及安全策略等方面做出了重大改进。其目标是支持更复杂、更安全以及更大规模的机器人应用，为工业、服务和研究领域提供坚实的软件平台。

1.1. ROS2 发行版本列表

ROS2官方文档：
在这里插入图片描述

1.2. 常见版本区别

版本	发布时间	支持周期	目标平台 / Ubuntu 版本	主要特点
Foxy Fitzroy	2020年6月	LTS（约3年）	Ubuntu 20.04	成熟稳定，文档完善，适合生产环境
Galactic Geochelone	2021年5月	非 LTS（约1年）	Ubuntu 20.04	引入 DDS 改进与跨平台增强，适合新特性试验和短期开发
Humble Hawksbill	2022年5月	LTS（约5年）	Ubuntu 22.04	安全性、实时性及性能显著提升，适合长期生产部署
Iron Irwini	2023年5月	非 LTS（支持至约2024年11月）	Ubuntu 22.04	进一步优化 DDS 与执行器机制，提供最新 API 支持，聚焦前沿功能
Jazzy Jalisco	预计2024年5月	LTS（约5年）	Ubuntu 24.04（预期）	整合前期经验、采用最新技术，提升扩展性与性能，面向未来平台适配

2. 架构设计与核心改进

节点与执行模型

节点模型：
ROS2中的每个功能模块依然以节点（Node）的形式存在，但其管理方式更为灵活，支持多线程和分布式部署，使得系统能够更好地应对复杂任务。
执行器（Executor）：
相较于ROS1单一的事件循环，ROS2引入了Executor机制，允许开发者根据具体需求定制并发执行策略，从而更好地利用多核处理器资源，提高实时性能。

通信中间件（DDS）

基于DDS：
ROS2采用Data Distribution Service（DDS）作为底层通信中间件，这种标准化的发布-订阅机制支持QoS（服务质量）策略配置，使得通信更加可靠、灵活，且易于满足实时性和安全性要求。

3. 工具与开发环境

构建与发布

colcon构建工具：
ROS2推荐使用colcon作为构建工具，它能更好地处理跨语言（如C++、Python等）项目，并支持并行构建，从而提升开发效率。

可视化与调试

RViz与rqt：
继续沿用ROS1中成熟的可视化工具RViz，但在ROS2中经过改进以适应新的消息系统和数据格式；同时，rqt插件也得到了更新，方便开发者实时监控和调试节点间的消息交互。

模拟与仿真

Gazebo/IGNition：
在仿真方面，ROS2与Gazebo及新一代仿真平台IGNition紧密集成，使得虚拟环境中的机器人行为可以更真实地反映到实际应用中。

4. 通信机制与数据管理

QoS策略与实时性保障

服务质量（QoS）配置：
ROS2通过DDS提供的QoS策略，让用户可以针对不同场景（如低延迟、可靠传输、历史记录等）配置消息的传递方式，从而更好地满足实时控制与数据一致性要求。

安全性考虑

安全通信：
在ROS2中，安全性成为设计的重要组成部分。通过内置的安全插件和认证、加密机制，ROS2能更好地防范网络攻击，保护数据传输安全。

5. 生态系统与社区支持

开源资源与模块化设计

丰富的包和模块：
ROS2延续ROS1模块化设计理念，社区贡献了大量开源包，涵盖导航、感知、运动规划、SLAM、机器学习等各个领域。这使得开发者能快速搭建原型并进行定制化开发。

多平台支持

跨平台兼容：
ROS2不仅继续支持Linux平台（尤其是Ubuntu），同时在Windows和macOS等平台上也提供了较好的支持，进一步扩大了开发者和应用场景的范围。

6. 应用场景与实例

工业与服务机器人

自主导航与物流：
利用ROS2的分布式通信和实时控制能力，许多工业和仓储物流机器人能够实现高效自主导航、路径规划和任务协作。

无人驾驶与自动化

车辆系统集成：
在无人驾驶汽车及自动驾驶系统中，ROS2为传感器数据融合、路径规划与决策提供了稳定可靠的平台。

教育与科研

实验平台：
大量高校和研究机构选用ROS2作为机器人系统开发的实验平台，通过实验验证新算法、新通信协议以及分布式系统设计。

7. 优缺点及面临的挑战

优点

高扩展性与实时性：
基于DDS的通信架构和灵活的Executor机制大幅提升了系统的实时响应能力和扩展性。
安全性和稳定性：
内置的安全策略和QoS配置使得系统更适合部署在工业及安全要求较高的场景中。
跨平台与模块化：
支持多平台运行，并保持高度模块化，便于社区和企业根据自身需求进行二次开发。

挑战与局限

复杂性上升：
随着功能和配置选项的增加，系统学习曲线和调试难度也随之提高，需要开发者具备更深的技术积累。
生态系统转型：
由于ROS2与ROS1在架构上存在显著差异，部分已有ROS1的应用和工具需要重新适配或迁移，短期内可能对部分项目带来挑战。

8. 未来发展与转型趋势

ROS2正逐步成为机器人开发的新标准，未来的发展趋势包括：

更完善的安全机制： 随着工业物联网和智能制造的发展，ROS2将继续强化安全功能，确保系统在各种恶劣环境下的稳定运行。
增强的实时性支持： 针对高实时性需求的应用场景，ROS2未来可能引入更多针对性优化措施。
生态系统的成熟： 随着社区与企业投入不断增加，ROS2的开源包和工具将更加丰富，推动跨领域、跨平台的机器人应用创新。

总结

总体来说，ROS2在继承ROS1优秀特性的基础上，通过采用DDS通信、中间件改进、Executor调度以及安全增强等多项关键技术，构建了一个更高效、灵活且安全的机器人软件平台。无论是在工业应用、无人驾驶、还是教育科研领域，ROS2都展现出强大的生命力和广阔的发展前景，是未来机器人系统研发的重要方向。