ROS 2系统架构详解：对比ROS 1，从分布式通信到DDS技术演进

自20世纪七八十年代以来，在计算机技术、传感器技术、电子技术等新发展的推动下，机器人技术进入了迅猛发展的黄金时期。机器人技术正从传统的工业制造领域，迅速扩展到家庭服务、医疗看护、教育娱乐、救援探索乃至军事应用等众多领域。

如今，随着人工智能浪潮的兴起，机器人又迎来了全新的发展机遇。机器人与 深度学习 等技术的结合，必将像互联网一般，再次为人们的生活带来深刻的变革。本文将带你认识智能机器人的“灵魂”——机器人操作系统（ROS），并深入剖析其最新一代ROS 2的技术演进。

机器人的发展经历了三个重要阶段：

• 电气时代（2000年前）：机器人主要应用于工业生产，俗称工业机器人，由示教器操控。此时的机器人智能程度不高，只能完全按照预设命令执行动作。该时代更关注驱动器、伺服电机、减速机、控制器等电气设备。
• 数字时代（2000—2015年）：随着计算机和视觉技术的快速发展，机器人的种类不断丰富，涵盖了AGV、视觉检测等应用。机器人配备了更丰富的传感器，但自主思考能力有限，仅能感知局部环境。
• 智能时代（2015年至今）：随着人工智能技术的兴盛，机器人成为AI技术的最佳载体。人形机器人、服务机器人、自动驾驶汽车等应用呈现井喷式发展，智能机器人时代正式拉开序幕。

图1：工业自动化发展的三个阶段：电气化、数字化与智能化

硬件是智能机器人的坚实载体，而软件则赋予其灵魂。机器人软件的快速迭代与创新，催生了对通用开发平台的迫切需求。于是，机器人操作系统（Robot Operating System，ROS） 在2007年应运而生。

ROS发展历程

面对日益复杂的智能机器人系统，如何实现高效开发成为一个关键技术问题。斯坦福大学的研究者们尝试给出一个答案，这便是ROS的起点。

ROS的起源

2007年，斯坦福大学的研究人员萌生了一个想法：能否开发一款能协助人们完成洗衣、做饭、整理家务等繁琐任务，并能陪伴互动的个人服务机器人？他们深知这需要融合机械、电路、软件等多个专业领域，于是想到创建一个标准的机器人平台，以便不同团队能够基于同一平台协作开发与分享应用。

初期原型由实验室的零部件组成，后期在资金支持下，他们打造出了外观精致、性能强悍的PR2（Personal Robot 2）机器人。通过不懈努力，PR2已经可以完成叠毛巾、打台球等一系列复杂任务。

图2：PR2机器人在不同场景下的应用演示

在这款机器人的开发过程中，研究者们构建了一套支持大规模团队协作的通用软件框架，这就是ROS的原型。ROS因PR2而生，但很快从中独立出来，发展成为一个被更多开发者和机器人采用的通用软件系统。

ROS的发展

PR2项目很快获得了Willow Garage公司的青睐与投资。2010年，随着PR2发布，其软件系统被正式命名为机器人操作系统（ROS）并开源。此后，ROS进入了快速发展期。

2011年，ROS领域的入门级爆款机器人TurtleBot发布。这款基于低成本硬件的机器人极大地推动了ROS在教育和研究领域的普及。从2012年开始，ROS社区开始举办每年一度的ROS开发者大会（ROSCon），吸引了包括亚马逊、英特尔等巨头在内的全球开发者参与。

从2014年起，ROS开始跟随Ubuntu操作系统的节奏，每两年推出一个长期支持版（LTS），标志着其走向成熟与稳定。

然而，随着应用场景的拓展，ROS初始设计的局限性逐渐暴露。为了构建一个能适应未来多样化机器人需求的操作系统，全新的ROS 2在2017年底正式发布。历经多年迭代，ROS 2在2022年5月发布了其首个长期支持版——ROS 2 Humble，宣告了ROS 2技术体系的成熟。2024年5月，第二个长期支持版 ROS 2 Jazzy 发布，进一步增强了系统的稳定性与功能。

图3：ROS从诞生到ROS 2 LTS版本发布的发展历程

ROS的特点

ROS的核心目标是提高机器人软件的复用率，其设计高度模块化，主要由四部分组成：

1. 通信机制：为复杂机器人系统提供高效、安全的数据分发基础。
2. 开发工具：提供仿真、可视化、调试等易用性工具链。
3. 应用功能：提供大量接口开放、可二次开发的功能包。
4. 生态系统：构建了活跃的全球开源开发者社区。

这种“避免重复造轮子”的理念催生了繁荣的ROS生态。如今，无论是在机械臂、移动机器人、水下机器人，还是人形机器人中，都能看到ROS的身影，它已成为机器人领域事实上的软件标准。

图4：ROS社区中多样化的机器人应用案例

此外，ROS还具备以下优势：

• 全球化的社区：汇聚全球智慧，以应用案例的形式沉淀技术结晶。
• 开源开放的生态：允许企业基于ROS直接开发商业化产品，加速上市进程。
• 跨平台使用：支持在Linux、Windows及嵌入式系统中运行。
• 工业应用支持：ROS 2新增了许多特性，以更好地满足工业领域需求。

ROS 2与ROS 1

从名称上看，ROS 2似乎是ROS 1的自然演进，但两者的变化实际上非常巨大。

ROS 1的局限性

ROS最初是为PR2这款家庭服务机器人设计的。PR2设计精良，拥有工作站级算力，主要进行内部有线通信，且成本高昂，主要用于学术研究。

然而，随着ROS的普及，应用它的机器人类型已大不相同。许多机器人在资源受限的嵌入式系统中运行，需要在复杂网络环境下保证通信，并最终作为产品走向市场，甚至用于自动驾驶和航天领域。ROS 1原有的框架在面对这些新需求时，暴露出了实时性差、通信不可靠、存在单点故障等问题。

全新的ROS 2

ROS 2旨在满足未来多样化机器人应用的需求，其设计目标包括：

1. 多机器人系统：为机器人集群的通信与协作提供标准机制。
2. 跨平台：可运行于Linux、Windows、macOS、RTOS，甚至微控制器（MCU）上。
3. 实时性：为运动控制等关键任务提供确定性保障。
4. 网络连接：在不可靠网络下保障数据完整性与通信安全。
5. 产品化：具备足够的稳定性和健壮性，可直接用于商业产品。
6. 项目管理：提供涵盖设计、开发、测试、部署的全流程工具。

为了从根本上满足这些需求，ROS开发者选择了“推倒重来”，在借鉴ROS 1经验的基础上，对系统架构和代码进行了全新设计与实现。

ROS 2与ROS 1的对比

1. 系统架构
ROS 1的核心是节点管理器（Master），所有节点都需在其协调下工作，存在单点故障风险。ROS 2移除了Master，采用节点自发现（Discovery）机制，实现了真正的分布式架构，大大增强了系统的鲁棒性和可扩展性。

图5：ROS 1（左）与ROS 2（右）的系统架构对比

2. 通信系统
ROS 1基于TCP/UDP通信，在复杂场景下易出现延迟、丢包等问题。ROS 2引入了数据分发服务（Data Distribution Service, DDS）作为底层通信中间件。DDS是一种成熟的工业标准通信协议，专为实时、可靠、高吞吐量的数据分发而设计。

为了让用户无需绑定特定DDS厂商，ROS 2设计了抽象中间件层（RMW）。各DDS厂商只需按照RMW标准实现接口，用户即可通过配置轻松切换底层通信实现，将开发精力聚焦于应用功能本身。

3. 核心概念
为降低迁移成本，ROS 2保留了ROS 1中的核心概念，如工作空间（Workspace）、功能包（Package）、节点（Node）、话题（Topic）、服务（Service）等，其含义与用法基本一致。

4. 编码方式
ROS 2的API接口经过重新设计，更符合现代编程习惯（如面向对象），并充分利用了C++新标准和Python3的特性。虽然API函数名称有所变化，但使用模式与ROS 1相似。以下是一个简单的Python API对比示例：

# 引入Python API接口库
import rclpy      # ROS 2
import rospy      # ROS 1

# 创建Topic发布者对象
self.pub = self.create_publisher(String, "chatter", 10)     # ROS 2
pub = rospy.Publisher('chatter, String, queue_size=10)     # ROS 1

# 创建Topic订阅者对象
self.sub = self.create_subscription(String, "chatter", self.listener_callback, 10) # ROS 2
rospy.Subscriber("chatter", String, listener_callback)                          # ROS 1

# 输出日志信息
self.get_logger().info('Publishing: "%s" ' % msg.data)      # ROS 2
rospy.loginfo("Publishing: "%s" ", msg.data)                  # ROS 1

5. 命令行工具
ROS 2对命令行工具进行了大幅集成，所有操作都统一在ros2主命令之下（如ros2 run, ros2 topic），结构更清晰，易于使用。

图6：ROS 2集成的命令行工具，支持丰富的子命令

从系统架构、通信机制到开发方式，ROS 2都是一次全面的革新。它解决了ROS 1在实时性、可靠性、安全性和分布式支持等方面的关键短板，为迎接未来更复杂、更广泛的机器人应用做好了准备。对于希望深入 计算机科学 与机器人系统开发的工程师而言，掌握ROS 2已成为一项重要的技能。如果你对机器人软件开发感兴趣，欢迎到 云栈社区 与其他开发者交流探讨。