ROS2机器人操作系统

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前言

ROS2中最为重大的变化——DDS，我们在前边课程中学习的话题、服务、动作，他们底层通信的具体实现过程，都是靠DDS来完成的，它相当于是ROS机器人系统中的神经网络。DDS的核心是通信，能够实现通信的模型和软件框架非常多，这里我们列出常用的四种模型。

第一种，点对点模型，许多客户端连接到一个服务端，每次通信时，通信双方必须建立一条连接。当通信节点增多时，连接数也会增多。而且每个客户端都需要知道服务器的具体地址和所提供的服务，一旦服务器地址发生变化，所有客户端都会受到影响。

第二种，Broker模型，针对点对点模型进行了优化，由Broker集中处理所有人的请求，并进一步找到真正能响应该服务的角色。这样客户端就不用关心服务器的具体地址了。不过问题也很明显，Broker作为核心，它的处理速度会影响所有节点的效率，当系统规模增长到一定程度，Broker就会成为整个系统的性能瓶颈。更麻烦是，如果Broker发生异常，可能导致整个系统都无法正常运转。之前的ROS1系统，使用的就是类似这样的架构。

第三种，广播模型，所有节点都可以在通道上广播消息，并且节点都可以收到消息。这个模型解决了服务器地址的问题，而且通信双方也不用单独建立连接，但是广播通道上的消息太多了，所有节点都必须关心每条消息，其实很多是和自己没有关系的。

第四种，就是以数据为中心的DDS模型了，这种模型与广播模型有些类似，所有节点都可以在DataBus上发布和订阅消息。但它的先进之处在于，通信中包含了很多并行的通路，每个节点可以只关心自己感兴趣的消息，忽略不感兴趣的消息，有点像是一个旋转火锅，各种好吃的都在这个DataBus传送，我们只需要拿自己想吃的就行，其他的和我们没有关系。

一、什么是DDS

DDS并不是一个新的通信方式，在ROS2之前，DDS已经广泛应用在很多领域，比如航空，国防，交通，医疗，能源等。

如在自动驾驶领域，通常会存在感知，预测，决策和定位等模块，这些模块都需要非常高速和频繁地交换数据。借助DDS，可以很好地满足它们的通信需求。

DDS的全称是Data Distribution Service，也就是数据分发服务，2004年由对象管理组织OMG发布和维护，是一套专门为实时系统设计的数据分发/订阅标准，最早应用于美国海军， 解决舰船复杂网络环境中大量软件升级的兼容性问题，现在已经成为强制标准。

DDS强调以数据为中心，可以提供丰富的服务质量策略，以保障数据进行实时、高效、灵活地分发，可满足各种分布式实时通信应用需求。

DDS在ROS2中的应用

DDS在ROS2系统中的位置至关重要，所有上层建设都建立在DDS之上。在这个ROS2的架构图中，蓝色和红色部分就是DDS。

DDS是一种通信的标准，就像4G、5G一样，既然是标准，那大家都可以按照这个标准来实现对应的功能，所以华为、高通都有很多5G的技术专利，DDS也是一样，能够按照DDS标准实现的通信系统很多，这里每一个红色模块，就是某一企业或组织实现的一种DDS系统。

既然可选用的DDS这么多，那我们该用哪一个呢？具体而言，他们肯定都符合基本标准，但还是会有性能上的差别，ROS2的原则就是尽量兼容，让用户根据使用场景选择，比如个人开发，我们选择一个开源版本的DDS就行，如果是工业应用，那可能得选择一个商业授权的版本了。

为了实现对多个DDS的兼容，ROS设计了一个Middleware中间件，也就是一个统一的标准，不管我们用那个DDS，保证上层编程使用的函数接口都是一样的。此时兼容性的问题就转移给了DDS厂商，如果他们想让自己的DDS系统进入ROS生态，就得按照ROS的接口标准，开发一个驱动，也就是这个部分。

无论如何，ROS的宗旨不变，要提高软件代码的复用性，下边DDS任你边，上边的软件没影响。

质量服务策略QoS

DDS中的基本结构是Domain，Domain将各个应用程序绑定在一起进行通信，回忆下之前我们配置树莓派和电脑通信的时候，配置的那个DOMAIN ID，就是对全局数据空间的分组定义，只有处于同一个DOMAIN小组中的节点才能互相通信。这样可以避免无用数据占用的资源。

DDS中另外一个重要特性就是质量服务策略，QoS。

QoS是一种网络传输策略，应用程序指定所需要的网络传输质量行为，QoS服务实现这种行为要求，尽可能地满足客户对通信质量的需求，可以理解为数据提供者和接收者之间的合约。

DEADLINE策略，表示通信数据必须要在每次截止时间内完成一次通信；
HISTORY策略，表示针对历史数据的一个缓存大小；
RELIABILITY策略，表示数据通信的模式，配置成BEST_EFFORT，就是尽力传输模式，网络情况不好的时候，也要保证数据流畅，此时可能会导致数据丢失，配置成RELIABLE，就是可信赖模式，可以在通信中尽量保证图像的完整性，我们可以根据应用功能场景选择合适的通信模式；
DURABILITY策略，可以配置针对晚加入的节点，也保证有一定的历史数据发送过去，可以让新节点快速适应系统。
DDS的加入，让ROS2的通信系统焕然一新，多众多样的通信配置，可以更好的满足不同场景下的机器人应用。

二、使用案例

1.在命令行中配置DDS

启动第一个终端，我们使用best_effort创建一个发布者节点，循环发布任意数据，在另外一个终端中，如果我们使用reliable模型订阅同一话题，无法实现数据通信，如果修改为同样的best_effort，才能实现数据传输。

ros2 topic pub /chatter std_msgs/msg/Int32 "data: 42" --qos-reliability best_effort 
ros2 topic echo /chatter --qos-reliability reliable
ros2 topic echo /chatter --qos-reliability best_effort
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如何去查看ROS2系统中每一个发布者或者订阅者的QoS策略呢，在topic命令后边跟一个"–verbose"参数就行了。

ros2 topic info /chatter --verbose
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2.DDS编程示例

启动两个终端，分别运行发布者和订阅者节点：

 ros2 run learning_qos qos_helloworld_pub
 ros2 run learning_qos qos_helloworld_sub
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看效果确实差不多，不过底层通信机理上可是有所不同的。
发布者代码解析

import rclpy                     # ROS2 Python接口库
from rclpy.node import Node      # ROS2 节点类
from std_msgs.msg import String  # 字符串消息类型
from rclpy.qos import QoSProfile, QoSReliabilityPolicy, QoSHistoryPolicy # ROS2 QoS类

"""
创建一个发布者节点
"""
class PublisherNode(Node):

    def __init__(self, name):
        super().__init__(name)        # ROS2节点父类初始化

        qos_profile = QoSProfile(     # 创建一个QoS原则
            # reliability=QoSReliabilityPolicy.BEST_EFFORT,
            reliability=QoSReliabilityPolicy.RELIABLE,
            history=QoSHistoryPolicy.KEEP_LAST,
            depth=1
        )
        self.pub = self.create_publisher(String, "chatter", qos_profile) # 创建发布者对象（消息类型、话题名、QoS原则）
        self.timer = self.create_timer(0.5, self.timer_callback)         # 创建一个定时器（单位为秒的周期，定时执行的回调函数）

    def timer_callback(self):                                # 创建定时器周期执行的回调函数
        msg = String()                                       # 创建一个String类型的消息对象
        msg.data = 'Hello World'                             # 填充消息对象中的消息数据
        self.pub.publish(msg)                                # 发布话题消息
        self.get_logger().info('Publishing: "%s"' % msg.data)# 输出日志信息，提示已经完成话题发布

def main(args=None):                           # ROS2节点主入口main函数
    rclpy.init(args=args)                      # ROS2 Python接口初始化
    node = PublisherNode("qos_helloworld_pub") # 创建ROS2节点对象并进行初始化
    rclpy.spin(node)                           # 循环等待ROS2退出
    node.destroy_node()                        # 销毁节点对象
    rclpy.shutdown()                           # 关闭ROS2 Python接口
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订阅者代码解析

import rclpy                                     # ROS2 Python接口库
from rclpy.node   import Node                    # ROS2 节点类
from std_msgs.msg import String                  # ROS2标准定义的String消息
from rclpy.qos import QoSProfile, QoSReliabilityPolicy, QoSHistoryPolicy  # ROS2 QoS类

"""
创建一个订阅者节点
"""
class SubscriberNode(Node):

    def __init__(self, name):
        super().__init__(name)         # ROS2节点父类初始化

        qos_profile = QoSProfile(      # 创建一个QoS原则
            # reliability=QoSReliabilityPolicy.BEST_EFFORT,
            reliability=QoSReliabilityPolicy.RELIABLE,
            history=QoSHistoryPolicy.KEEP_LAST,
            depth=1
        )

        self.sub = self.create_subscription(\
            String, "chatter", self.listener_callback, qos_profile) # 创建订阅者对象（消息类型、话题名、订阅者回调函数、QoS原则）

    def listener_callback(self, msg):                      # 创建回调函数，执行收到话题消息后对数据的处理
        self.get_logger().info('I heard: "%s"' % msg.data) # 输出日志信息，提示订阅收到的话题消息

def main(args=None):                               # ROS2节点主入口main函数
    rclpy.init(args=args)                          # ROS2 Python接口初始化
    node = SubscriberNode("qos_helloworld_sub")    # 创建ROS2节点对象并进行初始化
    rclpy.spin(node)                               # 循环等待ROS2退出
    node.destroy_node()                            # 销毁节点对象
    rclpy.shutdown()                               # 关闭ROS2 Python接口
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总结

DDS本身是一个非常复杂的系统，ROS2使用的也只是冰山一角。