前言
ROS是開源的機(jī)器人操作系統(tǒng)軟件平臺(tái)，是機(jī)器人技術(shù)和人工智能技術(shù)的一個(gè)令人興奮的結(jié)合點(diǎn)。2007年前后，ROS起源于美國斯坦福大學(xué)人工智能實(shí)驗(yàn)室與Willow Garage公司的項(xiàng)目合作； 2013年，ROS的開發(fā)和維護(hù)工作被移交給了開源機(jī)器人基金會(huì)（Open Source Robotics Foundation）。十余年來，ROS在國際學(xué)者的大力支持下迅速發(fā)展。隨著機(jī)器人與人工智能熱潮的到來，基于ROS的開發(fā)與應(yīng)用近幾年在我國也開展得如火如荼。
ROS的主要目標(biāo)是為不同類型的機(jī)器人提供基礎(chǔ)中間件和應(yīng)用軟件，降低機(jī)器人的開發(fā)和應(yīng)用難度，避免重復(fù)開發(fā)。ROS定義抽象層，允許軟件被多種機(jī)器人重用。然而，現(xiàn)有ROS在設(shè)計(jì)軟件框架時(shí)未預(yù)料到會(huì)如此受歡迎，其已有的架構(gòu)越來越難以滿足眾多新用途和潛在的市場需求。例如，在ROS的master�瞫lave架構(gòu)下，當(dāng)master節(jié)點(diǎn)發(fā)生問題時(shí)，將產(chǎn)生系統(tǒng)通信中斷的嚴(yán)重后果，不適合多機(jī)器人協(xié)作的應(yīng)用場景。現(xiàn)有ROS的另一個(gè)重要瓶頸是實(shí)時(shí)性能差，難以應(yīng)用于對(duì)實(shí)時(shí)性能要求很高的領(lǐng)域。例如，運(yùn)行于復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境中的高機(jī)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人、高速運(yùn)行的流水線作業(yè)機(jī)器人等，要求機(jī)器人以極快的速度對(duì)指令進(jìn)行響應(yīng)，以極高的可靠性完成任務(wù)。
為了解決ROS的諸多不足，設(shè)計(jì)新的軟件框架以滿足目前及未來市場需求勢在必行，ROS2也因此應(yīng)運(yùn)而生。在ROS2開發(fā)過程中，對(duì)原ROS框架進(jìn)行了重大改進(jìn)。為了滿足多機(jī)器人協(xié)同工作的高可靠、實(shí)時(shí)性要求，ROS2摒棄了原來的master�瞫lave架構(gòu)，使用更加先進(jìn)的分布式架構(gòu)，采用了數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)(DDS)技術(shù)，節(jié)點(diǎn)可以分布于不同主機(jī)，可以互為服務(wù)器/客戶端，方便負(fù)載均衡，可降低中心節(jié)點(diǎn)失效導(dǎo)致slave節(jié)點(diǎn)通信失敗的風(fēng)險(xiǎn)。更為重要的是，ROS2提供對(duì)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和嵌入式設(shè)備的支持，使得實(shí)時(shí)控制可以直接在ROS2上運(yùn)行，并支持節(jié)點(diǎn)間、進(jìn)程間實(shí)時(shí)通信。ROS2的第一個(gè)正式版本Ardent Apalone于2017年12月8日發(fā)布，該版本并未完全脫離ROS，而是繼承了ROS的眾多優(yōu)點(diǎn)，如接口與編程語言無關(guān)、驅(qū)動(dòng)程序和算法可封裝成獨(dú)立的庫、方便移植、支持多語言等。
作為國內(nèi)機(jī)器人操作系統(tǒng)的積極應(yīng)用者和推動(dòng)者，研究團(tuán)隊(duì)一直關(guān)注ROS和ROS2的發(fā)展，并積極探索、改進(jìn)和應(yīng)用ROS及ROS2，開發(fā)了支持ROS和ROS2的JuLab系列機(jī)器人通用硬件平臺(tái)。為了更好地與對(duì)ROS2感興趣的相關(guān)人員分享開發(fā)與應(yīng)用ROS2的成果和經(jīng)驗(yàn)，更深入地展示ROS2的架構(gòu)優(yōu)勢、運(yùn)行模式以及應(yīng)用方法，本書從源代碼層面深入解析ROS2，并對(duì)常用工具庫及操控機(jī)器人的常用模塊進(jìn)行了系統(tǒng)介紹�；�于JuLab系列機(jī)器人，進(jìn)行了具體應(yīng)用場景的代碼和功能介紹。
本書共包括6章。第1章介紹ROS2 Ardent版本、ROS2安裝及環(huán)境配置、基本命令等。第2章分析ROS2 Ardent的總體框架，進(jìn)行源代碼概述，開展ament、Fast�睠DR、Fast�睷TPS、RMW、robot_model、RCL、RCLcpp等代碼分析。第3章介紹ROS2常用工具庫中的orocos_kinematics_dynamics、POCO、urdfdom、PCL以及MoveIt。第4章闡述SLAM導(dǎo)航及應(yīng)用，通過ROS2發(fā)布里程計(jì)信息，基于JuLab1機(jī)器人完成SLAM開發(fā)。第5章介紹六軸機(jī)械臂軌跡規(guī)劃，基于JuLab1機(jī)器人完成實(shí)例開發(fā)。第6章介紹OpenCV圖像和視頻基礎(chǔ)，圖像轉(zhuǎn)換，機(jī)器人3D視覺技術(shù)等。本書的電子文檔資源同步在www.airtros.com網(wǎng)站發(fā)布。本書深入淺出地分析了ROS2的核心功能，并結(jié)合了典型工程案例。書中實(shí)踐案例部分以JuLab機(jī)器人為載體，該機(jī)器人助力哈爾濱工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院兩支隊(duì)伍奪得了2018年全國大學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)大賽總決賽一等獎(jiǎng)和二等獎(jiǎng)。
本書作者均為從事機(jī)器人、操作系統(tǒng)科研和教學(xué)工作的人員。第1章由丁亮、曲明成、夏科睿撰寫，第2章由曲明成、張亞楠、劉鵬飛撰寫，第3章由張亞楠、曲明成、夏科睿撰寫，第4章由丁亮、夏科睿、郭龍撰寫，第5章由曲明成、夏科睿、丁亮撰寫，第6章由張亞楠、夏科睿撰寫。全書由丁亮統(tǒng)稿，張亞楠組織編輯和校對(duì)。相關(guān)研究工作和本書的編著得到了哈工大機(jī)器人集團(tuán)董事長王飛、高級(jí)副總裁于振中等領(lǐng)導(dǎo)的大力支持，郭龍、金馬、王權(quán)、陳偉偉、蔣晨旭、彭超、侯旗、何婷婷、張韜庚、姬鵬鵬等參與了本書案例的開發(fā)和編寫工作，清華大學(xué)出版社的編輯對(duì)本書出版給予了大力支持，在此表示衷心的感謝！
本書涉及的研究工作得到了國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金項(xiàng)目（51822502）、安徽省科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目、合肥市廬州產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、哈工大機(jī)器人（合肥）國際創(chuàng)新研究院立項(xiàng)項(xiàng)目等資助，在此表示感謝！
由于作者水平所限，書中難免存在不足之處，敬請各位讀者批評(píng)指正。
作者2018年秋