一、背景

随着机器人领域的快速发展和复杂化，代码的复用性和模块化的需求原来越强烈，而已有的开源机

器人系统又不能很好的适应需求。2010年Willow Garage公司发布了开源机器人操作系统ROS

（robot operating system），很快在机器人研究领域展开了学习和使用ROS的热潮。

从下面这张图片来看，ROS是2007年诞生与斯坦福大学，斯坦福大学，世界名校，而且是专业研

究机器人的，目前也在从事人工智能的研发，ROS诞生于这样的贵族，可见ROS的发展还是非常

有前途的。

二、需求（为什么需要ROS）

想设计制造一个复杂的机器人，这个机器人能够类似于人一样能够感知，自我导航，能够自我控制

去做一些复杂的工作。面对这么复杂的工作，在研发过程中肯定需要很多各样的有效资源的共享，

但是目前很多资源要么难以共享，要么共享的资源之间不能直接拿过来用，所以，急需这样一个能

够整合资源的框架和接口，使得资源之间能够共享使用，换个专业点的话说，就是使得各种功能、

各种软件的重复利用率增加。因此为了满足这一功能和作用，我们研发了ROS（robotics

operating system）机器人操作系统，虽然表面上叫做操作系统，但是并不是真正的操作系统，说

白了，就是一个框架，一个平台。

二、ROS横向介绍

ROS是一个适用于机器人的开源的元操作系统。集成了大量的工具，库，协议，提供类似OS所提

供的功能，简化对机器人的控制。它提供了操作系统应有的服务，包括硬件抽象，底层设备控制，

进程间消息传递，以及包管理。

ROS的总体目标，也就是提高软件复用率，（下面我们主要介绍它的五个特点和四位一体。）

五个特点

（1）点对点设计

（看到这个标题，如果不了解计算机通讯，是看不懂的），其实这个就是说的就是ROS的一个核

心，也就是节点，节点这个东西为什么是核心呢，节点就是功能，节点就是计算机术语中常说的进

程一个机器人有多个功能，因此也就有了多个节点，因此，如果一个机器人的各个功能被分开，

也就是一个个的节点，那ROS进行软件的复用就会方便的多

分布式的框架，解耦

在机器人上可能集成各种传感器(雷达、摄像头、GPS...)以及运动控制实现，为了解耦合，在

ROS中每一个功能点都是一个单独的进程，每一个进程都是独立运行的。这些进程可以分布于不

同主机，不同主机协同工作，从而分散计算压力。所以，ROS是进程（也称为Nodes）的分布式框

架

（2）多语言支持

ROS是有多个节点的，节点之间可能会有联系，但是联系又没有那么紧密，每个

节点都是一个功能，它们可以分别使用不同的编程语言进行编程，如C++、Python、Java等编程语

言，无论采用哪种编程语言进行编程，最后节点之间进行信息交互的时候都可以通过与语言无关的

一个接口进行连接。

（3）架构精简，集成度高

（看起来结构比较简单，操作不难，而且功能集成丰富）

（4）组件化工具包丰富

这个字面理解就是说ROS有很多功能强大的工具，比如仿真界面工具

rviz，仿真环境gazebo，rqt_plot图形化显示工具等

（5）免费且开源

四位一体

对ROS进行总结便形成了ROS四位一体的格局，首先是ROS的通讯机制(话题，服务)，这个大家

都知道了，点对点通讯。其次是ROS具备很多开发工具，比如rviz，gazebo等。接着，ROS的功

能也非常多，在ROS中是以一个叫做功能包的形式存在的（此处的功能和节点不能混为一谈，大

家可以理解为一个大功能，而节点可以理解为一个个小功能），其应用功能设计视觉导航、运动规

划多个方面。最后，ROS也不是一个单独的软件，它所存在的环境有各大牛人，各大公司，全世

界都在使用它，相当于一个活跃的生态系统。

四、ROS纵向介绍

ROS的纵向介绍主要从小到大，从深到浅进行介绍，整个ROS系统分为以下三个层次，如图

计算图层

这个层次最深，主要是描述程序是如何运行的，也就是ROS当中很细节的层次，

（1）节点

这个前面已经介绍过，就是指功能，或者说是进程，也可以当做一个个软件模块，不再赘述。

（2）节点管理器

节点管理器说白了就是管理节点的，跟指挥中心一样，类似于每一个固定电话是一个节点，那节点

管理器就是基站，总站。

（3）话题

（这个就比较重要了，涉及到ROS的通讯，前面说过，ROS的通讯机制是点对点通讯，也就是一

个节点之间的通讯）ROS节点之间的主要通讯方式是两种，这个话题通讯就是一种，另外一种是

接下来会介绍到的第（4）点中的服务通讯，话题通讯和服务通讯是主要的通讯方式

首先介绍ROS的话题通讯，其两端为发布方何订阅方

ROS的话题通讯信息流图如下：

简单的说就是发布方和订阅方现在RosMaster注册，然后RosMaster会帮它们进行匹配，连接，然后双方采取相应的通信协议进行信息的通信

（4）服务

话题通信的信息流只能是由发布者流向接收者，而且节点之间的通信是有延迟的，并不同步，针对这两个缺陷，这个小点介绍的服务通信则满足了双向同步的通信，这种通信只允许有一个服务器，客户端可以有多个，服务器和客户端之间双向同步通信，采取请求和应答的模式进行通信

ROS的服务通讯信息流图如下：

服务通信的模式与话题通信相差不大，就不过多赘述了。

（确实还有一种action通信，属于问答机制，维持一段时间且有及时的反馈并可以随时取消这个通信）

（5）参数服务器

参数服务器能够使数据通过密钥存储在一个系统的核心位置。

（6）消息

消息包含一个节点发送到其他节点的信息数据。

（7）消息记录包

消息记录包是一种用于保存和回放ROS消息数据的文件格式。

文件系统层

ROS的文件的组织和排列是按照功能来进行的，不同功能的文件被放置在不同的文件夹下面，功

能包是ROS的文件系统层次下一个比较基本的单元，ROS的文件系统层次也是围绕它来展开：

（1）功能包清单（package manifest）：

这个的作用主要是记录功能包信息，包括各个功能包的信息以及发行者，还有功能包之间的依赖关

系，编译的相关信息等。

（2）消息类型：

描述话题通信的消息的类型的文件

（3）服务类型：

描述服务通信的时候的服务类型的文件

（4）代码：

一个个的节点是通过相应的编程语言进行编写的，存放于特定文件夹之中。至于元功能包，其实可

以理解为小功能包组成的大功能包，为了实现一个更大的功能。

开源社区层

发行版：一系列带有版本号可以直接安装的软件包

软件源：ROS依赖于共享网络上的开源代码，不同组织机构可以开发活或共享自己的机器人软件

ROSwiki：主要论坛

邮件列表：交流ros更新的主要渠道，同时也可以交流ros开发的疑问

ros answers：咨询ros问题的网站

博客

ROS的整体结构

参考链接：

https://blog.csdn.net/qq_25267657/article/details/84316111

http://www.autolabor.com.cn/book/ROSTutorials/

https://blog.csdn.net/hcx25909/article/details/8795043

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