ROS

又稱: Robot Operating System, ROS 2, ROS2
類別: Software & tooling › Tools & formats
標籤: ros, ros2, middleware, robot-frameworks, software

大多數機器人軟體賴以建立的開源中介軟體與生態系，也是這個領域許多共同詞彙的來源。

定義

ROS（Robot Operating System）並不是作業系統。它是中介軟體：一組函式庫與慣例，讓一台或多台機器上各自獨立的程式能找到彼此並交換資料，再加上圍繞它建立的工具與套件生態系。

核心概念是分解。機器人由許多小程式，也就是節點，組成，每個節點只做一件事：讀取攝影機、估計位姿、規劃路徑、驅動馬達。節點透過發布與訂閱具名的主題，或呼叫服務與長時間執行的動作來溝通。由於傳輸是匿名的，節點不知道也不在乎另一端的攝影機是真實硬體、模擬器，還是正在重播的錄製資料。正是這項特性讓同一套控制程式碼能在模擬中與機器人上執行，它也形塑了幾乎所有現代機器人軟體的結構。

ROS 2 是目前的世代，也是一次大幅改寫：它以 DDS 取代原本的自訂傳輸，移除了舊版主節點所代表的單點故障，並加入第一版所缺少的即時與多機器人支援。新的工作應以 ROS 2 為前提。

它更廣泛的意義在於詞彙。URDF、tf 座標框架、點雲訊息類型以及節點與主題的模型都源自這個生態系，如今的使用範圍遠超出它，包括從未匯入任何一個 ROS 函式庫的專案。因此，了解 ROS 與其說是了解一套框架，不如說是讀懂這個領域的共同語言。

為何重要

ROS 是機器人學中最接近共同平台的東西，它的概念滲透到各處。本詞彙表中許多其他術語，包括座標轉換、SLAM、里程計、URDF 與感測器融合，部分是以 ROS 的語言來描述自己的。懂它，你才讀得懂大多數機器人程式庫；知道它是中介軟體而不是作業系統，則能免去頭一個小時的困惑。

主要應用

把機器人組織成各自獨立的節點，而不是一個龐大單一的程式
在控制程式碼不變的情況下，替換底層的模擬與真實硬體
在機器人上錄製感測器資料，並重播以進行離線除錯
重複使用社群在導航、操作與感知方面的套件
透過共用網路協調多台機器人
以可攜的方式描述機器人幾何與座標框架

實際應用

一套運作中的系統，是一張一起啟動的節點圖，以主題名稱連接，並由一份 URDF 與一棵座標框架樹來描述。開發仰賴少數幾個工具：用來視覺化機器人所認知之狀態的 RViz、用來錄製與重播真實感測器資料的 rosbag，以及用來可重現地啟動整張節點圖的 launch 檔案。實務上，能錄製一次真實的執行並把它重播到未經修改的程式碼中，正是讓機器人除錯變得可行的關鍵。

常見誤解

ROS 是作業系統：它是在作業系統（通常是 Linux）之上執行的中介軟體
ROS 天生就是即時的：原版並不是；ROS 2 在搭配合適的執行器與 DDS 設定下讓即時成為可能，但不是自動的
ROS 2 只是版本號升級的 ROS 1：它是以不同傳輸方式、沒有主節點的改寫版本，兩者若沒有橋接便無法互通
使用 ROS 就代表一切都用它：許多機器人以 ROS 處理感知與協調，即時控制迴路則放在微控制器上

誰需要了解

任何閱讀開源機器人程式碼或為其做出貢獻的人
在決定如何在機器人的多台電腦之間組織軟體的打造者
任何希望模擬與硬體執行完全相同之控制程式碼的人
從錄製的執行紀錄而不是現場重試來為機器人除錯的工程師
第一次接觸節點、主題、tf 或 URDF 等術語的學生

影片

Introduction to ROS Part 1: What is the Robot Operating System? | DigiKey: DigiKey
What is ROS and Why use ROS to Learn Robotics?: Kevin Wood | Robotics & AI

維基百科

機器人作業系統

Open Source Robotics

ROS

定義