电子神越女学 人 智能机器人原理与实践 机器人操作系统 骆德渊博士、教投 电子科技大学机械与电气工程学院副院长 电子科技大学机器人队总教练
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德仓创机器人 Dechuang Robot 9.机器人操作系统(R0S) 主要内容 机器人操作系统ROS概述 ROS体系架构 ROS通信机制 ROS核心工具 5 ROS坐标变换(TF) 6 ROS开发接口 ROS机器人定位与建图SLAM ROS机器人导航与路径规划Navigation 3
9.机器人操作系统(ROS) 3 主要内容 2 ROS体系架构 1 机器人操作系统ROS概述 3 ROS通信机制 4 ROS核心工具 5 ROS坐标变换(TF) 6 ROS开发接口 7 ROS机器人定位与建图SLAM 8 ROS机器人导航与路径规划Navigation
德仓创机器人 Dechuang Robot 9.1机器人操作系统概述 ROS(ROBOT OPERATION SYSTEM)是一个适用于机器人的开源的次级操作系统。？ 它提供类似操作系统所提供 的功能，包括硬件抽象、底层设备控制、常用函数的实现、进程间消息传递以及包管理；提供用于获取、编译、编 写、跨计算机运行代码所需的工具和库函数；采用的是松耦合点对点进程网络，目前支持Ubuntu.系统、MacOS X 、ROS2.0支持Windows。由框架、工具、功能和社区四个部分组成。 (1)框架（基础结构--通讯机制） (3)功能(package) 分布式 控制 ·节点：ROS中用节点表示进程，即Node 规划 硬件抽象 底层设 。 分布式架构优点扩展性好，软件复用率高 视觉 备控制 进程管理 建图 ·进程通信 进程间消 (2)工具（调试） 常用函 (4)社区 息传递 包管理 数实现 仿真 软件包管理 数据可视化 教程 ROS机器人操作系统 图形界面 文档 ·数据记录
9.1 机器人操作系统概述 4 硬件抽象 底层设 备控制 常用函 数实现 进程间消 息传递 包管理 ROS机器人操作系统 ROS（ROBOT OPERATION SYSTEM）是一个适用于机器人的开源的次级操作系统。它提供类似操作系统所提供 的功能，包括硬件抽象、底层设备控制、常用函数的实现、进程间消息传递以及包管理；提供用于获取、编译、编 写、跨计算机运行代码所需的工具和库函数；采用的是松耦合点对点进程网络，目前支持Ubuntu系统、MacOS X 、 ROS 2.0支持Windows。由框架、工具、功能和社区四个部分组成。 (1) 框架(基础结构---通讯机制) •分布式 • 节点: ROS中用节点表示进程,即Node • 分布式架构优点:扩展性好,软件复用率高 •进程管理 •进程通信 (2) 工具(调试) •仿真 •数据可视化 •图形界面 •数据记录 (3) 功能(package) •控制 •规划 •视觉 •建图 (4) 社区 •软件包管理 •教程 •文档
德仓创机器人 Dechuang Robot 9.1机器人操作系统概述 ROS的优势 ROS设计目标是在机器人研发领域提高代码复用率。ROS是 (1)松散耦合的机制方便机器人软件 一种分布式处理框架（又名Nodes)。可执行文件能被单独设计 框架的组织； (即节点)，并且在运行时松散耦合。这些过程可以封装到数 (2)最丰富的机器人功能库，方便快 据包(Packages)和堆栈(Stacks)中，以便于共享和分发。ROS 速搭建原型； (3)非常便利的数据记录、分析、仿 还支持代码库的联合系统。使得协作亦能被分发。这种从文 真工具，方便调试； 件系统级别到社区一级的设计让独立地决定发展和实施工作 (4)学界和产业界的标准，方便学习 成为可能。 和交流； ROS运行架构是一种使用ROS通信模块实现模块间P2P的松耦 (5)R0S使用了BSD许可证，这是一个 合的网络连接的处理架构，它执行若干种类型的通讯，包括 非常宽松的开放许可证，允许在商业 基于服务的同步RPC(远程过程调用)通讯、基于Topic的异步 和闭源产品使用，这对于开发产品的 数据流通讯，还有参数服务器上的数据存储。ROS本身没有实 创业公司是比较重要的一点； 时性
9.1 机器人操作系统概述 5 ROS设计目标是在机器人研发领域提高代码复用率。ROS是 一种分布式处理框架(又名Nodes)。可执行文件能被单独设计 (即节点)，并且在运行时松散耦合。这些过程可以封装到数 据包(Packages)和堆栈(Stacks)中，以便于共享和分发。ROS 还支持代码库的联合系统。使得协作亦能被分发。这种从文 件系统级别到社区一级的设计让独立地决定发展和实施工作 成为可能。 ROS运行架构是一种使用ROS通信模块实现模块间P2P的松耦 合的网络连接的处理架构，它执行若干种类型的通讯，包括 基于服务的同步RPC(远程过程调用)通讯、基于Topic的异步 数据流通讯，还有参数服务器上的数据存储。ROS本身没有实 时性。 ROS的优势 （1）松散耦合的机制方便机器人软件 框架的组织； （2）最丰富的机器人功能库，方便快 速搭建原型； （3）非常便利的数据记录、分析、仿 真工具，方便调试； （4）学界和产业界的标准，方便学习 和交流； （5）ROS使用了BSD许可证，这是一个 非常宽松的开放许可证，允许在商业 和闭源产品使用，这对于开发产品的 创业公司是比较重要的一点；
德仓创机器人 Dechuang Robot 9.1机器人操作系统概述 ROS的优势 ROS的四大特点 (6)R0S是最庞大的使用者群体，是事实上的机器人标 (1)点对点设计 准，2016年R0S大会数据显示，目前在使用操作系统做 开发的人员用户超过35万，其中活跃用户美国第一位， 中国第二位，ROS WIKI社区(http://wiki.ros.org)。 (7)在学术研究领域，基本上机器人算法都会给出ROS camera 版本的源程序； global map map vision (8)企业界：目前已经有很多机器人公司采用了0S系 统来开发一些应用于全新市场的产品，如ClearPath、 WIFI planning Rethink、Unbounded、Neurala、Blue River、Bigi; Server camera (9)Nvidia、博世、高通、英特尔、宝马以及大疆等 map vision 大公司也纷纷推出ROS接口
9.1 机器人操作系统概述 6 ROS的四大特点 （6）ROS是最庞大的使用者群体，是事实上的机器人标 准，2016年ROS大会数据显示，目前在使用操作系统做 开发的人员用户超过35万，其中活跃用户美国第一位， 中国第二位，ROS WIKI社区(http://wiki.ros.org/ )。 （7）在学术研究领域，基本上机器人算法都会给出ROS 版本的源程序； （8）企业界：目前已经有很多机器人公司采用了ROS系 统来开发一些应用于全新市场的产品，如ClearPath、 Rethink、Unbounded、Neurala、Blue River、Big-i； （9）Nvidia、博世、高通、英特尔、宝马以及大疆等 大公司也纷纷推出ROS接口。 ROS的优势 （1）点对点设计
德仓创机器人 Dechuang Robot 9.1机器人操作系统概述 ROS的四大特点 (2)多语言支持 (3)精简与集成 ROS现在支持许多种不同的语言，例如C+、Python、 0 ctave和LISP,也包含其他语言的多种接口实现。 ·OS建立的系统具有模块化的特点，各模块中的代 码可单独编译，而且编译使用的CMake.工具使它很 容易的就实现精简的理念。 点对点 ·O$基本将复杂的代码封装在库里，只是创建了一 些小的应用程序为OS显示库的功能，允许对简单 的代码超越原型进行移植和重新使用。 ROS利用了很多现在已经存在的开源项目的代码， 工具包丰富 免费开源 ROS 多语言 比如说从Player项目中借鉴了驱动、运动控制和仿 真方面的代码，从0 penCV中借鉴了视觉算法方面的 代码，从OpenRAVE借鉴了规划算法的内容。 ROS可以不断的从社区维护中进行升级，包括从其 精简 他的软件库、应用补丁中升级R0S的源代码。 集成
9.1 机器人操作系统概述 7 ROS的四大特点 ROS 点对点 多语言 精简 集成 工具包丰富 免费开源 （2）多语言支持 ROS现在支持许多种不同的语言，例如C++、Python、 Octave和LISP，也包含其他语言的多种接口实现。 （3）精简与集成 • ROS建立的系统具有模块化的特点，各模块中的代 码可单独编译，而且编译使用的CMake工具使它很 容易的就实现精简的理念。 • ROS基本将复杂的代码封装在库里 ，只是创建了一 些小的应用程序为ROS显示库的功能，允许对简单 的代码超越原型进行移植和重新使用。 • ROS利用了很多现在已经存在的开源项目的代码， 比如说从Player项目中借鉴了驱动、运动控制和仿 真方面的代码，从OpenCV中借鉴了视觉算法方面的 代码，从OpenRAVE借鉴了规划算法的内容。 • ROS可以不断的从社区维护中进行升级，包括从其 他的软件库、应用补丁中升级ROS的源代码
德仓创机器人 Dechuang Robot 9.1机器人操作系统概述 ROS的四大特点 (4)工具包丰富 rqt 可视化工具。 rqt_graph:显示通信架构 rqt_plot:查看原始数据，绘制 曲线，查看里程计，码盘 rqt_console:查看日志 ROS丰富的工具 Rosbag 包 Rviz ROS命令行工具 免费的开源资源 记录和回放数据流 The Robot Visualization tool 命令 可视化工具，方便监控与调试 专用工具 Moveit Gazebo (常用于机械臂领城) 机器人仿真工具 8
9.1 机器人操作系统概述 8 ROS的四大特点 （4）工具包丰富 ROS丰富的工具 包 免费的开源资源 rqt 可视化工具。 rqt_graph: 显示通信架构 rqt_plot:查看原始数据,绘制 曲线,查看里程计,码盘 rqt_console: 查看日志 Rosbag ROS命令行工具 记录和回放数据流 命令 专用工具 Moveit (常用于机械臂领域) Gazebo 机器人仿真工具 Rviz The Robot Visualization tool 可视化工具，方便监控与调试
德仓创机器人 Dechuang Robot 9.1机器人操作系统概述 理解ROS的四个关键要素 ROS (1)R0S-设计思想：分布式架构 设计思想 设计思想主要是分布式架构，将机器人的 核心工具 ROS ROS 功能和软件，做成一个个节点，然后每个 核心概念 节点通过topicj进行沟通，这些节点可以部 署在同一台机器上，也可以部署在不同机 ROS 器上，还可以部署在互联网上。 核心模块 9
9.1 机器人操作系统概述 9 理解ROS的四个关键要素 ROS ROS 设计思想 ROS 核心概念 ROS 核心模块 核心工具 （1）ROS-设计思想：分布式架构 设计思想主要是分布式架构，将机器人的 功能和软件，做成一个个节点，然后每个 节点通过topic进行沟通，这些节点可以部 署在同一台机器上，也可以部署在不同机 器上，还可以部署在互联网上
德仓创机器人 Dechuang Robot 9.1机器人操作系统概述 理解ROS的四个关键要素 ROS (2)ROS核心概念 设计思想 ·Nodes->节，点 节点是各自独立的可执行文件，能够通过话题、服务 或参数，与服务器或其他进程（节点）通信。ROS通过 ROS ROS 使用节点的方式将代码和功能解耦，提高了系统容错 核心工具 核心禄念 能力和可维护性，使系统简化。节点允许了ROS系统 能够布置在任意多个机器上并同时运行。关于节点需 要注意的事项有：节点在系统中必须有唯一的名称； ROS 节点可以使用不同的库进行编写，如roscpp和rospy, 核心模块 其中roscpp基于Ct+,rospy基于Python。 10
9.1 机器人操作系统概述 10 理解ROS的四个关键要素 （2）ROS核心概念 ROS ROS 设计思想 ROS 核心概念 ROS 核心模块 核心工具 • Nodes->节点 节点是各自独立的可执行文件，能够通过话题、服务 或参数，与服务器或其他进程(节点)通信。ROS通过 使用节点的方式将代码和功能解耦，提高了系统容错 能力和可维护性，使系统简化。节点允许了ROS系统 能够布置在任意多个机器上并同时运行。关于节点需 要注意的事项有：节点在系统中必须有唯一的名称； 节点可以使用不同的库进行编写，如roscpp和rospy， 其中roscpp基于C++，rospy基于Python
德仓创机器人 Dechuang Robot 9.1机器人操作系统概述 理解ROS的四个关键要素 ROS (2)R0S核心概念 设计思想 Messages and Topics->消息与话题（或主题） 节点之间通过topic机制进行通信，topic机制是 核心工具 ROS ROS 一个一对多的Publish/Subscribe模式，同一个 核心摄念 话题也可以有很多个订阅者，它的底层传输依 靠的是TCPP,也可以是UDP。topic.具体传输 ROS 的是message,具有一定的类型和数据结构，包 核心模块 括ROS提供的标准类型，和用户自定义类型。 11
9.1 机器人操作系统概述 11 理解ROS的四个关键要素 （2）ROS核心概念 ROS ROS 设计思想 ROS 核心概念 ROS 核心模块 核心工具 • Messages and Topics->消息与话题（或主题） 节点之间通过topic机制进行通信，topic机制是 一个一对多的Publish/Subscribe 模式, 同一个 话题也可以有很多个订阅者，它的底层传输依 靠的是TCP/IP，也可以是UDP。topic具体传输 的是message，具有一定的类型和数据结构，包 括ROS提供的标准类型，和用户自定义类型