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ROS 1

引言

ROS 1是ROS的第一代版本，自2010年首个正式发行版Box Turtle发布以来，已成为学术研究和机器人原型开发的事实标准。ROS 1以其成熟的工具链、丰富的软件包和庞大的社区支持著称。尽管ROS 2已逐步成为主流，ROS 1仍然在众多现有项目中发挥着重要作用。

概述

ROS 1最初由Willow Garage公司开发，后由Open Source Robotics Foundation (OSRF) 维护。它主要面向学术研究和单机器人系统的开发，在Ubuntu Linux上有最好的支持。ROS 1的最后一个版本是Noetic Ninjemys（2020年发布），支持至2025年5月。

ROS 1的设计目标是降低机器人软件开发的门槛，通过提供标准化的通信机制、丰富的工具和大量可复用的软件包，使开发者能够快速构建功能丰富的机器人系统。

核心概念

ROS Master

ROS Master是ROS 1架构的核心组件，负责管理节点之间的命名和注册服务。所有节点在启动时都需要向Master注册，Master负责维护节点的查找表，使节点能够相互发现和建立通信。通过roscore命令启动Master。

ROS Master是ROS 1的一个关键特征，同时也是其局限性之一。如果Master崩溃，整个系统的通信将会中断。

节点 (Nodes)

节点是ROS 1中执行计算的基本进程。ROS 1鼓励开发者创建大量小型、功能单一的节点，而不是少量庞大的多功能进程。这种设计使系统具有更好的模块化特性，便于调试和复用。

话题与消息 (Topics & Messages)

话题 (Topics) 是ROS 1中最常用的通信方式，采用发布-订阅 (publish-subscribe) 模式。发布者 (Publisher) 向一个命名话题发送消息，订阅者 (Subscriber) 从该话题接收消息。通信是异步的，发布者和订阅者之间无需知道对方的存在。

消息 (Messages) 是话题传输的数据结构，使用.msg文件定义。常见的消息类型包括：

  • std_msgs：标准基础类型，如String、Int32、Float64
  • geometry_msgs：几何相关消息，如Twist（速度）、Pose（位姿）
  • sensor_msgs：传感器数据，如Image（图像）、LaserScan（激光扫描）、PointCloud2（点云）
  • nav_msgs：导航相关消息，如Odometry（里程计）、Path（路径）

服务 (Services)

服务 (Services) 提供同步的请求-响应通信机制，使用.srv文件定义请求和响应的数据结构。与话题不同，服务是一对一的通信，适用于需要立即获得结果的场景。

参数服务器 (Parameter Server)

参数服务器 (Parameter Server) 是一个集中式的键值存储系统，允许节点在运行时存储和检索配置参数。参数服务器由ROS Master维护，支持整数、浮点数、字符串、布尔值、列表和字典等数据类型。

catkin构建系统

catkin是ROS 1的官方构建系统，基于CMake开发。它使用工作空间 (workspace) 来组织和编译ROS软件包。

典型的catkin工作空间结构如下：

catkin_ws/
├── src/              # 源代码目录
│   ├── CMakeLists.txt
│   ├── package_1/
│   │   ├── CMakeLists.txt
│   │   ├── package.xml
│   │   └── src/
│   └── package_2/
├── build/            # 编译中间文件
├── devel/            # 开发空间（编译产物）
└── logs/             # 日志文件

常用的catkin命令包括：

  • catkin_make：编译整个工作空间
  • catkin build：逐包编译（由catkin_tools提供，更灵活）
  • catkin_create_pkg：创建新的ROS软件包

常用工具

ROS 1提供了大量实用的命令行和图形化工具：

  • roscore：启动ROS Master、参数服务器和rosout日志节点
  • rosrun：运行单个ROS节点，如rosrun turtlesim turtlesim_node
  • roslaunch：通过.launch文件同时启动多个节点并设置参数
  • rostopic：查看、发布和监控话题消息
  • rosservice：调用和查看ROS服务
  • rosparam：获取和设置参数服务器中的参数
  • rosbag：记录和回放话题数据，用于数据采集和离线分析
  • RViz：三维可视化工具，用于显示传感器数据和机器人模型
  • rqt：基于Qt的模块化图形工具，包含rqt_graph（节点关系图）、rqt_plot（数据绘图）、rqt_console（日志查看）等插件

常用软件包

ROS 1拥有数千个社区贡献的软件包，以下是一些最常用的核心包：

软件包 功能描述
navigation 移动机器人自主导航，包含路径规划、定位和避障
moveit 机械臂运动规划、抓取和操作
gmapping 基于激光雷达的SLAM建图
amcl 自适应蒙特卡洛定位 (Adaptive Monte Carlo Localization)
tf 坐标变换管理
robot_state_publisher 发布机器人关节状态到tf树
rviz 三维可视化
gazebo_ros Gazebo仿真环境的ROS接口
image_transport 图像传输和压缩
pcl_ros 点云库 (Point Cloud Library) 的ROS封装

ROS 1版本

版本代号 发布日期 Logo 教程海龟的图标 终止维护日期
ROS Noetic Ninjemys (Recommended) May 23rd, 2020 Noetic Ninjemys https://raw.githubusercontent.com/ros/ros_tutorials/noetic-devel/turtlesim/images/noetic.png May, 2025 (Focal EOL)
ROS Melodic Morenia May 23rd, 2018 Melodic Morenia Melodic Morenia May, 2023 (Bionic EOL)
ROS Lunar Loggerhead May 23rd, 2017 Lunar Loggerhead Lunar Loggerhead May, 2019
ROS Kinetic Kame May 23rd, 2016 Kinetic Kame Kinetic Kame April, 2021 (Xenial EOL)
ROS Jade Turtle May 23rd, 2015 Jade Turtle Jade Turtle May, 2017
ROS Indigo Igloo July 22nd, 2014 I-turtle I-turtle April, 2019 (Trusty EOL)
ROS Hydro Medusa September 4th, 2013 H-turtle H-turtle May, 2015
ROS Groovy Galapagos December 31, 2012 G-turtle G-turtle July, 2014
ROS Fuerte Turtle April 23, 2012 F-turtle F-turtle --
ROS Electric Emys August 30, 2011 E-turtle E-turtle --
ROS Diamondback March 2, 2011 D-turtle D-turtle --
ROS C Turtle August 2, 2010 C-turtle C-turtle --
ROS Box Turtle March 2, 2010 B-turtle B-turtle --

安装指南

ROS 1通常安装在Ubuntu Linux上，每个ROS 1版本对应特定的Ubuntu版本：

  • Noetic：Ubuntu 20.04 (Focal Fossa)
  • Melodic：Ubuntu 18.04 (Bionic Beaver)
  • Kinetic：Ubuntu 16.04 (Xenial Xerus)

安装的基本步骤包括：配置软件源 (sources.list)、添加密钥 (keys)、通过apt安装ROS、初始化rosdep以及配置环境变量。详细安装教程请参考ROS Wiki安装页面。

ROS 1的局限性

尽管ROS 1在学术领域取得了巨大成功，但随着机器人技术向工业化和商业化发展，其设计上的一些局限性逐渐显现，这也是ROS 2被开发的直接原因：

  • 单点故障 (Single Point of Failure)：ROS Master是系统的单一故障点，一旦崩溃将导致整个系统通信中断
  • 缺乏实时性支持 (No Real-time Support)：ROS 1的通信层不支持实时性保障，无法满足工业控制等对时间敏感的应用需求
  • 安全性不足 (Lack of Security)：ROS 1没有内置的认证和加密机制，不适合部署在开放网络环境中
  • 仅支持Linux：ROS 1主要支持Ubuntu Linux，在其他操作系统上的支持有限
  • 不支持多机器人系统 (No Native Multi-robot Support)：缺乏对多机器人协作场景的原生支持
  • 嵌入式支持有限：对资源受限的嵌入式平台支持不够完善

这些局限性促使社区开发了ROS 2，以更好地满足工业级和商业级机器人应用的需求。

本章内容导览

ROS 1 的内容按「先理解概念，再组织工程，最后落到具体子系统」的顺序拆分为以下页面：

页面 主要内容
ROS 1 架构概述、核心概念、发行版、安装与局限性
工作空间与软件包 catkin 工作空间、CMakeLists.txt 与 package.xml、rosdep、Overlay
通信机制 话题、服务、动作、参数服务器、自定义消息、Nodelet
节点编程 roscpp 与 rospy 节点模板、回调调度、多线程与生命周期
坐标变换、启动与数据录制 TF2、roslaunch XML、rosbag 录制与回放
URDF 机器人建模 URDF 语法、xacro 宏、与 RViz/Gazebo/MoveIt 的衔接
Navigation Stack move_base、代价地图、全局与局部规划器、AMCL 定位
命令与排查速查 命令速查表、核心软件包生态、常见问题排查、发行版时间线
ROS 2 下一代 ROS 的架构与迁移路径

参考资料

  1. ROS Wiki, ROS Distributions
  2. ROS/Introduction, ROS Wiki
  3. catkin/conceptual_overview, ROS Wiki
  4. ROS/Installation, ROS Wiki
  5. roscpp Overview, ROS Wiki
  6. rospy Overview, ROS Wiki
  7. actionlib, ROS Wiki
  8. tf2, ROS Wiki
  9. roslaunch/XML, ROS Wiki
  10. rosbag/Commandline, ROS Wiki
  11. rosbag/Code API, ROS Wiki
  12. URDF/XML/robot, ROS Wiki
  13. xacro, ROS Wiki
  14. navigation/Tutorials, ROS Wiki
  15. dwa_local_planner, ROS Wiki
  16. amcl, ROS Wiki
  17. Thrun S, Burgard W, Fox D. Probabilistic Robotics. MIT Press, 2005.
  18. Fox D, Burgard W, Dellaert F, Thrun S. Monte Carlo Localization: Efficient Position Estimation for Mobile Robots. AAAI, 1999.
  19. Marder-Eppstein E, Berger E, Foote T, et al. The Office Marathon: Robust Navigation in an Indoor Office Environment. ICRA, 2010.