《ROS原理與技術(shù)應用》能力模塊三掌握自動駕駛系統(tǒng)的安裝與使用方法

任務一認知ROS系統(tǒng)導入假設你想要搭建一個類似這樣可以自主建圖和導航的智能車，那么你首先需要選擇一個合適的自動駕駛系統(tǒng),目前機器人操作系統(tǒng)（ROS）就能很好解決這些問題目錄

CONTENTS01020304ROS的發(fā)展歷程自動駕駛系統(tǒng)開發(fā)系統(tǒng)首選ROSROS的主要特性ROS常見的功能工具05初步成型的ROS生態(tài)系統(tǒng)新授硬件技術(shù)的飛速發(fā)展在促進機器人領域快速發(fā)展和復雜化的同時，也對機器人系統(tǒng)的軟件開發(fā)提出了巨大挑戰(zhàn)在近幾年里，產(chǎn)生了多種優(yōu)秀的機器人軟件框架，為軟件開發(fā)工作提供了極大的便利，其中最為優(yōu)秀的軟件框架之一就是機器人操作系統(tǒng)（RobotOperatingSystem，ROS）一、ROS的發(fā)展歷程一、ROS的發(fā)展歷程ROS是一個用于編寫機器人軟件的靈活框架。它集成了大量的工具、庫、協(xié)議，提供了類操作系統(tǒng)所提供的功能，包括硬件抽象描述、底層驅(qū)動程序管理、共用功能的執(zhí)行、程序間的消息傳遞、程序發(fā)行包管理，可以極大簡化繁雜多樣的機器人平臺下的復雜任務創(chuàng)建與穩(wěn)定行為控制。ROS基本發(fā)展歷程如圖所示。一、ROS的發(fā)展歷程一、ROS的發(fā)展歷程2017年12月8日，萬眾矚目的ROS2.0終于發(fā)布了第一個正式版——ArdentApalone，其宣傳海報如圖所示。考慮到配套功能包的完備性，本教材仍將采用ROS1.0版本完成相關實訓任務。

嚴格意義上來講，ROS是一款用于機器人或自動駕駛的應用軟件開發(fā)平臺，并不是一個真正的操作系統(tǒng)（因為它需要是基于Ubuntu操作系統(tǒng)安裝使用）。要保證一個復雜的系統(tǒng)穩(wěn)定、高效地運行，每個模塊都能發(fā)揮出最大的潛能，ROS提供了一個成熟有效的管理機制，使得系統(tǒng)中的每個軟硬件模塊都能有效地進行互動。ROS提供了大量的程序庫和工具，使得開發(fā)人員能夠更好地在機器人或人工智能領域中進行學習與研究。另外，ROS本身還具有許多功能，軟硬件驅(qū)動、可視化工具、消息傳遞等。二、自動駕駛系統(tǒng)開發(fā)系統(tǒng)首選--ROSROS的主要目標是為機器人研究和開發(fā)提供代碼復用的支持。ROS是一個分布式框架，以節(jié)點（node）為進程，這些進程被封裝在易于被分享和發(fā)布的功能包和程序包中。ROS的主要特性可以歸納為以下幾點：三、ROS的主要特性4豐富的功能軟件包5免費且開源性1點對點設計2分布式設計3支持多語言三、ROS的主要特性在ROS中，每一個進程都以一個節(jié)點的形式運行，可以分布于多個不同的主機。節(jié)點間的通信消息通過一個帶有發(fā)布和訂閱功能的RPC傳輸系統(tǒng)，從發(fā)布節(jié)點傳送到接收節(jié)點。這種點對點的設計可以分散定位、導航等功能帶來的實時計算壓力，適應多機器人的協(xié)同工作。ROS在處理進程之間的通信時，采用了耦合度相對較低的點對點設計。點對點設計ROS是一個分布式設計的框架，不僅可以實現(xiàn)ROS工程之間的集成和發(fā)布，還能夠移植到其他軟件平臺上使用。ROS框架具有的模塊化特點使得每個功能節(jié)點可以進行單獨編譯，并且使用統(tǒng)一的消息接口讓模塊的移植、復用更加便捷。同時，ROS開源社區(qū)中移植或集成了大量已有開源項目車、PointCloudLibrary庫等，開發(fā)者可以使用豐富的資源實現(xiàn)機器人應用的快速開發(fā)。分布式設計三、ROS的主要特性為了支持更多應用的移植和開發(fā)，ROS被設計成為一種語言弱相關的框架結(jié)構(gòu)。ROS使用簡潔、中立的定義語言描述模塊之間的消息接口，在編譯過程中再產(chǎn)生所使用語言的目標文件，為消息交互提供支持，同時也允許消息接口的嵌套使用。目前已經(jīng)支持Python、C++、Java、Octave和LISP等多種不同的語言，也可以同時使用這些語言完成不同模塊的編程。支持多語言目前ROS已經(jīng)可以支持使用的第三方軟件包數(shù)量達到數(shù)千個，可以大大提高開發(fā)與測試的工作效率。例如可視化,開發(fā)者可以根據(jù)ROS定義的接口在其中顯示機器人3D模型、周圍環(huán)境圖、機器人導航路線等信息。此外，ROS中還有消息查看工具、物理仿真環(huán)境等組件，提高了機器人開發(fā)的效率。豐富的功能軟件包ROS遵照的BSD許可（一種開源許可）給使用者較大的自由，允許其修改和重新發(fā)布其中的應用代碼，甚至可以進行商業(yè)化的開發(fā)與銷售。ROS開源社區(qū)中的應用代碼以維護者來分類，主要包含WillowGarage公司和一些開發(fā)者設計、維護的核心庫部分，以及由不同國家的ROS社區(qū)組織開發(fā)和維護的全球范圍的開源代碼。免費且開源性四、ROS常見的功能工具ROS開發(fā)時經(jīng)常使用的工具包括：Gazebo、Rviz、rqt、rosbag、rosbridge、moveit。Gazebo是一款免費的機器人仿真軟件，其使用界面如圖所示。它提供高保真度的物理模擬，一整套傳感器模型，以及對用戶和程序非常友好的交互方式。能夠在復雜的室內(nèi)和室外環(huán)境中準確高效地模擬機器人工作的功能，通常與ROS聯(lián)合使用，為開發(fā)者提供了優(yōu)異的仿真環(huán)境。gazebo支持urdf/sdf格式文件，后文會提及兩者的區(qū)別，它們均用于描述仿真環(huán)境，官方也提供了一些集成好的常用的模型模塊，可以直接導入使用。四、ROS常見的功能工具RViz是ROS中一款三維可視化平臺（其操作界面如圖所示），一方面能夠?qū)崿F(xiàn)對外部信息的圖形化顯示，另外還可以通過rviz給對象發(fā)布控制信息，從而實現(xiàn)對機器人的監(jiān)測與控制。中間部分為3D視圖顯示區(qū)，能夠顯示外部信息；上部為工具欄，包括視角控制、目標設置、地點發(fā)布等，還可以添加自定義的一些插件；左側(cè)為顯示項目，顯示當前選擇的插件，并且能夠?qū)Σ寮膶傩赃M行設置；下側(cè)為時間顯示區(qū)域，包括系統(tǒng)時間和ROS時間等；右側(cè)為觀測視角設置區(qū)域，可以設置不同的觀測視角rqt是非常好用的數(shù)據(jù)流可視化工具，其顯示界面如圖所示。使用rqt可以更直觀地看到消息的通信架構(gòu)和流通路徑，rqt是一個圖形化用戶接口框架，它允許以插件的形式來實現(xiàn)各種圖形工具和接口。在rqt中你能以可停靠窗口的形式來運行所以存在的GUI工具。四、ROS常見的功能工具ROS常見的功能工具rosbag主要用于記錄、回放、分析rostopic中的數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖3-1-12所示。它可以將指定rostopic中的數(shù)據(jù)記錄到.bag后綴的數(shù)據(jù)包中，便于對其中的數(shù)據(jù)進行離線分析和處理。ROS常見的功能工具四、ROS常見的功能工具rosbridge是一個用在ROS系統(tǒng)和其他系統(tǒng)之間的一個功能包，就像是它的名字一樣，起到一個“橋梁”的作用，使得ros系統(tǒng)和其他系統(tǒng)能夠進行交互。01ROS節(jié)點1可以是智慧貓決策單元jetsonnano，ROS節(jié)點2是底盤控制單元Arduino2560控制板，它們之間的通信就是通過rosbridge來完成的。rosbridge為非ROS程序提供了一個JSONAPI,有許多與rosbridge進行交互的前端，包括一個用于Web瀏覽器交互的WebSocket服務器。Rosbridge_suite是一個包含rosbridge的元程序包，用于rosbridge的各種前端程序包（如WebSocket程序包）和幫助程序包。比如在自動駕駛領域，rosbridge功能包用于自動駕駛主控單元與底盤之間的通信。0302risvridge四、ROS常見的功能工具moveit是ros中一系列移動操作的功能包的組成，其顯示界面如圖所示。這個功能包特別適合多關節(jié)機械臂的運動控制，它提供了一系列成熟的插件和工具，可以實現(xiàn)機械臂控制的快速配置。起初，各種硬件技術(shù)泛濫，卻沒有能整合它們的操作系統(tǒng)。目前該領域最受矚目的ROS已經(jīng)開始為這些各種各樣的機器人部件初步構(gòu)建了較為龐大的生態(tài)系統(tǒng)，如圖所示。ROS起步雖然微不足道，但正是其免費且開源的特性，ROS軟件包的數(shù)量近年來呈指數(shù)級增長，開發(fā)者可以在社區(qū)中下載、復用琳瑯滿目的自動駕駛功能模塊，這大大加速了ROS在自動駕駛領域的應用推廣。在ROS生態(tài)系統(tǒng)中，利用這些豐富且集中的資源，開發(fā)者和學習者可以實現(xiàn)機器人硬件設計、輔助開發(fā)自研機器人、仿真環(huán)境下的算法驗算、機器人系統(tǒng)的技能學習等目的。無論是提高個人技能，還是進行商業(yè)開發(fā)，ROS生態(tài)系統(tǒng)提供的平臺和資源都能夠讓使用者站在巨人的肩膀上向更高處攀登，從而促進機器人領域的發(fā)展。五、初步成型的ROS生態(tài)系統(tǒng)任務實施一、任務準備（一）軟件、硬件準備（二）安全要求及注意事項1.JetsonNano或普通計算機，1臺。11.注意ROS系統(tǒng)的版本選擇Melodic。22.輸入命令的時候一定要細心，不要將命令輸入錯誤。

實施步驟有：二、實施步驟從互聯(lián)網(wǎng)搜索并了解常用的ROS發(fā)行版本包括哪些？它們對應的Ubuntu版本號是什么？發(fā)布時間和停止支持時間又是什么？將結(jié)果記錄到任務實施工單。01請根據(jù)網(wǎng)絡搜索ROS的特性主要包含哪些內(nèi)容，并將結(jié)果整理記錄到任務實施