机器人操作系统(ROS)入门

一、学习任务

1.问答题：什么是ROS? ROS产生、发展和壮大的原因和意义？

2.实践练习：在Ubuntu16或18系统中，安装对应版本的ROS软件；熟悉ROS基本命令；运行小海龟demo例子，通过键盘控制小海龟运动。记录整个实践过程。

二、学习内容

1. ROS简介

1.1 什么是ROS？

1.1.1 ROS是一个适用于机器人编程的框架，这个框架把原本松散的零部件耦合在了一起，为他们提供了通信架构。
1.1.2 ROS虽然叫做操作系统，但并非 Windows、Mac 那样通常意义的操作系 统，它只是连接了操作系统和你开发的ROS应用程序，所以它也算是一个中间件，为基于 ROS 的应用程序之间建立起了沟通的桥梁，所以也是运行在Linux上的运行时环境，在这个环境下，机器人的感知、决策、控制算法可以更好的组织和运行。

1.2 ROS发展

1.2.1 本世纪开始，关于人工智能的研究进入了大发展阶段，包括全方位的具体的 AI ,例如斯坦福大学人工智能实验室STAIR（Stanford Artificial Intelligence Robot）项目，该项目组创建了灵活的、动态的软件系统的原型，用于机器人技术。
1.2.2 在2007年，机器人公司Willow Garage和该项目组合作，他们十分具有前瞻性的，提供了大量资源进一步扩展了这些概念，经过具体的研究测试实现之后，无数的研究人员将他们的专业性研究贡献到ROS核心概念和其基础软件包，这期间积累了众多的科学研究成果。
1.2.3 ROS软件的开发自始至终采用开放的BSD协议，在机器人技术研究领域逐渐成为一个被广泛使用的平台。
1.2.4 Willow Garage公司和斯坦福大学人工智能实验室合作以后，在2009年初推出 ROS0.4，这是一个测试版的 ROS，现在所用的系统框架在这个版本正式开启了 ROS 的发展成熟之路。

1.3 ROS的特点：

1. 分布式点对点
   ROS采用了分布式的框架。通过点对点的设计让机器人的进程可以分别运行，便于模块 化的修改和定制，提高了系统的容错能力。
2. 多种语言支持
   ROS支持多种编程语言。C++、Pyhton和已经在ROS中实现编译，是目前应用最广的 ROS开发语言，Lisp、C#、Java等语言的测试库也已经实现。为了支持多语言编程， ROS采用了一种语言中立的接口定义语言来实现各模块之间消息传送。通俗的理解就 是，ROS的通信格式和用哪种编程语言来写无关，它使用的是自身定义的一套通信接口。
3. 开源社区
   ROS具有一个庞大的社区ROS-WIKI(http://wiki.ros.org/)，这个网站将会始终伴随着你 ROS开发，无论是查阅功能包的参数、搜索问题还是。当前使用ROS开发的软件包已经 达到数千万个，相关的机器人已经多达上千款。此外，ROS遵从BSD协议，对个人和商业应用及修改完全免费。这也促进了ROS的流行。

1.4 意义

ROS的发展逐渐的趋于成熟，近年来也逐步是面对着Ubuntu的更新而更新，这说明ROS已经初步进入一种稳定的发展状态，每年进行一次更新的频率同时还保留着长期支持的版本，这使得ROS在稳步的前进发展同时，也有着开拓创新的方向。目前越来越多的机器人、无人机甚至无人车都开始采用ROS作为开发平台，尽管ROS在实用方面目前还存在一些限制，但前途非常光明。

2018年ROS2 1.0版将发布，未来ROS2将如何影响机器人领域，我们拭目以待。相信在人工智能的大发展、人机交互越来越密切、互联网+的大时代，ROS会发挥出越来越重要的作用。

总体来说，ROS更适合科研和开源用户使用，如果在工业场景应用（例如无人驾驶）还需要做优化和定制。 为了解决实际应用的问题，ROS2.0做了很大的改进，目前正在开发之中，未来表现如何值得期待。

2. ubuntu16 安装ROS

2.1 安装源

sudo sh -c '. /etc/lsb-release && echo "deb http://mirrors.ustc.edu.cn/ros/ubuntu/ $DISTRIB_CODENAME main" > /etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list'

2.2 设置密钥

sudo apt-key adv --keyserver hkp://keyserver.ubuntu.com:80 --recv-key 421C365BD9FF1F717815A3895523BAEEB01FA116

2.3 更新及安装

sudo apt update

sudo apt-get install ros-melodic-desktop-full

2.4 初始化

sudo rosdep init
rosdep update

2.5 添加环境变量

echo "source /opt/ros/melodic/setup.bash" >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc

2.6 安装rosinstall

sudo apt install python-rosinstall python-rosinstall-generator python-wstool build-essential

3.运行小海龟demo例子

打开终端分别执行以下命令：

roscore
rosrun turtlesim turtlesim_node
rosrun turtlesim turtle_teleop_key

效果如下：