【自动驾驶】技术笔记：ROS系统

要求

注意：ROS并不是真正意义上的操作系统，只能算是中间件。

ROS具有很强的代码可复用性和硬件抽象性能，采用分布式架构，通过各功能独立的节点实现消息传递任务的分层次运行，从而减轻实时计算的压力。同时ROS为常用的机器人和传感器提供了硬件驱动接口。

ROS 本身是基于消息机制的，这样的做法使得开发者可以根据软件的功能把软件拆分成各个模块。ROS底层会识别某一个消息的使用者，然后把消息数据分发给他们。

节点：实现运算功能的进程，ROS机器人仿真架构由功能独立的节点组成。
节点管理器：Master 主要用来管理节点，每个节点都需要通过节点管理器实现节点名字的注册，节点之间相互查找也需要在节点管理器内进行。
参数服务器：Parameter Server 节点运行时用来存取参数，但它并不是用来实现高效率数据传输的，而是用来存放节点运行所需的配置参数。
消息：Message 一个消息是一个由类型域构成的简单的数据结构。
主题：Topic 节点之间是围绕一个特定的主题进行消息传输的，主题名称就是传输消息的主要内容。类似多人聊天室，不能保证发布消息能够得到及时的相应。
服务：Service 一种利用同步通信的方式请求/回复的复杂交互的分布式系统。包括服务端和客户端。
任务：Action ROS中的Action功能包主要用来实现服务器端和客户端之间的信息交互。主要包含5个基本的主题：goal cancel status feedback result。

ROS 1.0 的主要部分主要有三种：ROS Master、ROS Node 和 ROS Service。

ROS Master 的主要功能是命名服务，他存储了启动时需要的运行时参数、消息发布上游节点和接收下游节点的连接名和连接方式，以及已有ROS服务的连接名。
ROS Node 负责执行，对收到的消息进行处理，并发布新的消息给下游节点。
ROS Service 一种特殊的ROS节点，相当于一个服务节点，接收请求并返回请求结果。

通信流程：首先节点会向master节点发布（advertise）或者订阅（subscribe）主题。当连接创建后，下游节点会向上游节点TCP server发布连接请求，连接创建后上游节点消息会通过连接送至下游节点。

注：ROS因为存在消息流，存在上下游的概念，可以理解为数据的处理步骤/流程。

ROS 2.0 主要是为了让ROS符合工业级的运行标准，采用了DDS这个工业级别的中间件股则可靠的额通信。

注：ROS 2.0 还是一个开发中的框架，还需要时间。

ROS1 存在一些问题：性能不高、信息传输安全性不高、有一个主节点，主节点崩溃，系统崩溃，比较脆弱。这些问题在ROS2有得到解决。

提高可靠性
- 采用ZooKeeper机制，在主节点失效时，自动重启主节点，以确保整个ROS系统在任何时刻都处于双备份模式。
- ROS 2.0直接采用去中心化的设计，移除ROS Master节点更加可靠。
提高性能
- 弃用原先的TCP/IP通信模式，采用共享内存的方式完成节点通信。只传递数据的地址和大小信息，然后直接在内存中寻址。
- 然后对于ROS广播机制的优化可以使用组播，实现一个发送节点和每一个接收节点传输相同的数据，只需要复制一份数据即可，提高了数据的传送效率，减少了主干网络出现阻塞的可能性。
- 数据的序列化与反序列化也是一个消耗时间的过程，如果使用轻量级的序列化程序，我们可以将序列化的延迟降低50%。
提高安全性
- LXC（Linux Containers）提供轻量级虚拟化，限制每一个节点可供使用的资源数。
- LXC还提供了沙盒支持，使得系统可以限制ROS节点进程的权限，确保节点的独立运行。
- 最大限度地防止资源泄露。