ROS遵从BSD协议，这给了使用者很大的自由，使开发者可以清楚的查看、自由的使用源代码，如果有需要，可以根据不同的系统及硬件环境对源代码进行修改，或者进行二次开发。

（6）强大的库及社区：

ROS提供了广泛的库文件实现以机动性、操作控制、感知为主的机器人功能。同时由于其开源特性，ROS的支持与发展依托着一个强大的社区。其官方网站尤其关注兼容性和支持文档，提供了一套“一站式”的方案使得用户得以搜索并学习来自全球开发者数以千计的ROS程序包。

（7）通道：

ROS提供了一种发布-订阅式的通信框架用以简单、快速地构建分布式计算系。

（8）工具：

ROS提供了大量的工具组合用以配置、启动、自检、调试、可视化、登录、测试、终止分布式计算系统。

（9）强大的库：

ROS提供了广泛的库文件实现以机动性、操作控制、感知为主的机器人功能。

（10）生态系统：

ROS的支持与发展依托着一个强大的社区。ros.org尤其关注兼容性和支持文档，提供了一套“一站式”的方案使得用户得以搜索并学习来自全球开发者数以千计的ROS程序包。

第4章 ROS的系统架构

ROS系统是用于编写机器人软件程序的一种具有高度灵活性的软件架构；它包含了大量工具软件、库代码和约定协议。

ROS包含了大量工具软件、库代码和约定协议，旨在简化跨机器人平台创建复杂、鲁棒的机器人行为这一过程的难度与复杂度。

ROS设计者将ROS表述为“ROS = Plumbing + Tools + Capabilities + Ecosystem”，即ROS是通讯机制、工具软件包、机器人高层技能以及机器人生态系统的集合体。

ROS提供一些标准操作系统服务，例如硬件抽象，底层设备控制，常用功能实现，进程间消息以及数据包管理。ROS是基于一种图状架构，从而不同节点的进程能接受，发布，聚合各种信息（例如传感，控制，状态，规划等等）。

ROS可以分成两层，低层是上面描述的操作系统层，高层则是广大用户群贡献的实现不同功能的各种软件包，例如定位绘图，行动规划，感知，模拟等等。

第5章 ROS与Linux

5.1 ROS能安装在Linux之上吗？

ROS（Robot Operating System）可以安装在Linux操作系统之上。事实上，ROS最常用的版本是针对Ubuntu Linux发行版进行开发和测试的。ROS支持多个Ubuntu版本，包括16.04（Xenial）、18.04（Bionic）和20.04（Focal）。安装ROS需要根据特定的Ubuntu版本和ROS版本进行操作，具体的安装步骤可以参考ROS官方文档和教程。

Linux是一个基于POSIX和Unix的多用户、多任务、支持多线程和多CPU的操作系统。

伴随着互联网的发展，Linux得到了来自全世界软件爱好者、组织、公司的支持。它除了在服务器方面保持着强劲的发展势头以外，在个人电脑、嵌入式系统上都有着长足的进步。使用者不仅可以直观地获取该操作系统的实现机制，而且可以根据自身的需要来修改完善Linux，使其最大化地适应用户的需要。

5.2 Xenomai实时Linux内核

Xenomai是一个开源的实时操作系统（Real-Time Operating System，RTOS）框架，旨在为Linux系统提供可预测性和低延迟的实时性能。它通过在Linux内核之上构建一个实时性的内核扩展，提供了一个分层的实时架构。

Xenomai允许开发人员在Linux上同时运行实时和非实时任务，实时任务可以以确定性的方式响应外部事件，并确保任务的执行时间可靠和准确。它提供了两种实时任务调度方式：

1. Cobalt：Cobalt是Xenomai的核心部分，提供了与硬实时性能相匹配的API和调度器。Cobalt任务利用严格的优先级调度策略，确保实时任务的最小延迟和高优先级。使用Cobalt API可以编写实时任务并与其他非实时任务交互。

2. Native：Xenomai还提供了一种称为Native的调度方式，它与Linux内核的调度器集成。Native调度器允许简单的实时任务运行在Linux内核上，而无需额外的内核模块。这种方式提供了一些限制，但仍比传统的Linux调度器具有更好的实时性能。

Xenomai广泛应用于需要高实时性能的系统和应用，如机器人控制、自动化系统、数据采集系统、实时音频和视频处理等。它为实时任务提供了强大的基础设施，并允许开发人员编写可靠且高效的实时应用程序。

需要注意的是，集成Xenomai可能需要对操作系统进行定制和内核配置，因此在使用Xenomai时，建议参考官方文档和社区资源以获得更详细的指导和支持。

5.3 PREEMPT_RT

PREEMPT_RT（Preemptible Real-Time）是一个针对Linux内核的补丁，旨在提供可预测性和可配置的实时性能。它通过增加内核抢占性，使得Linux内核具备实时性能，能够满足实时任务对于低延迟和可预测性的需求。

PREEMPT_RT补丁的主要目标是减少Linux内核的不可抢占性（non-preemptibility），即减少内核运行时不可被中断的时间。通过将关键的内核代码段和操作转换为可抢占的形式，PREEMPT_RT使得实时任务能够在特定时间约束下得到及时响应。

PREEMPT_RT补丁具有以下特点和优势：

1. 高实时性能：PREEMPT_RT补丁降低了内核的不可抢占性，减少了内核代码的执行时间，从而提供了更低的延迟和更高的实时性能。

2. 系统可预测性：PREEMPT_RT补丁使得内核中的任务响应时间更可预测，减少了不可控的延迟和抖动。这对于需要确保实时任务可靠和准时执行的应用程序非常重要。

3. 灵活性和可配置性：PREEMPT_RT补丁提供了多种配置选项，可以根据应用程序的实时需求进行调整。可以选择不同的内核预定义选项或自定义选项，以满足具体应用的实时性能要求。

PREEMPT_RT补丁被广泛应用于需要高实时性能和可预测性的系统，如机器人控制、数据采集、自动化和嵌入式系统等。然而，使用PREEMPT_RT补丁需要注意的是，在应用补丁之前，需要仔细评估应用程序的需求、硬件平台的支持以及可能引入的系统稳定性和兼容性问题。此外，PREEMPT_RT补丁并非官方支持的Linux内核版本，需要额外的维护和更新，以保持与最新内核版本的兼容性。

5.3 ROS1与ROS2区别

ROS（Robot Operating System）是一个用于机器人开发的开源框架。

ROS1和ROS2是ROS的两个主要版本，它们之间有一些重要的区别。

1. 通信机制：ROS1使用了TCP/IP和XMLRPC作为基本的通信机制。这种机制在小规模系统上运行良好，但在大规模系统中存在一些限制。而ROS2引入了一种名为Data Distribution Service（DDS）的新的通信机制，该机制基于发布-订阅模式，支持更灵活、可靠和实时的通信。

2. 支持语言：ROS1主要支持C++和Python两种编程语言，而ROS2扩展到了更多的编程语言，包括C++, Python, Java, C#, JavaScript和Ruby，使得开发人员可以使用自己熟悉的语言进行开发。

3. 实时性：ROS1在实时性方面存在一定的局限性。而ROS2通过DDS通信机制的引入，支持实时性，使得ROS2可以在对实时性要求更高的应用中使用。

4. 可移植性：由于ROS1的设计目标是用于研究和实验室环境，因此在可移植性方面存在一些限制。ROS2则在设计时考虑了可移植性，使得它更容易在不同平台上运行，包括嵌入式系统和实时操作系统。

5. 安全性：ROS2在设计时考虑了安全性，并提供了一些安全功能，如认证和加密传输。这些功能使得ROS2更适合应用于对安全性要求较高的场景，如军事和医疗应用。

需要注意的是，

ROS1和ROS2是两个并行的项目，它们之间没有直接的升级路径。因此，在将ROS1应用迁移到ROS2时，需要进行适当的修改和重写代码。同时，目前还有许多ROS1的库和工具尚未迁移到ROS2，因此在选择版本时需要考虑到项目的特定需求和可用资源。

5.4 ROS2是如何提升实时性的？

在ROS 2中提高实时性的主要方法如下：

1. 使用实时操作系统（RTOS）：选择适合实时应用的操作系统作为ROS 2的底层平台，例如FreeRTOS、Xenomai或RTLinux。这些RTOS具有强大的实时性能和可预测性，可以有效提高ROS 2的实时性。这是ROS2提升实时性的关键的一环。

2. 使用实时通信机制：ROS 2提供了多种通信机制，包括发布-订阅、服务和操作行为。对于实时应用，使用高实时性的通信机制，例如ROS 2的Real-Time Data Distribution（RTDDS）或Fast-RTPS。这些通信机制具有较低的延迟和高吞吐量，有助于提高实时性能。ROS2为基于ROS的应用程序提供了多种提高实时性的通信机制。

3. 硬件加速：通过硬件加速技术来提高实时性。例如，使用FPGA（现场可编程门阵列）或ASIC（应用特定集成电路）来实现ROS 2中的某些任务，如传感器数据的预处理或实时控制算法的加速。

4. 优化代码：进行代码优化以提高实时性能。这包括消除不必要的延迟或瓶颈，减少计算量，使用更高效的算法和数据结构等。使用ROS 2中的性能分析工具（如rclcpp_profiler）来找出代码中的性能瓶颈并进行优化。

5. 配置系统参数：配置操作系统的参数以优化实时性能。这包括优化调度策略、内存管理和中断处理等。根据具体的RTOS和硬件平台，调整系统参数以适应实时需求。

6. 避免阻塞操作：在实时应用中，尽量避免使用会导致阻塞的操作。例如，避免长时间的计算、I/O操作或等待资源释放等。使用非阻塞调用和异步操作来提高实时性。

7. 使用时间关键节点（Time-Sensitive Networking，TSN）：TSN是一种网络通信技术，可在以太网上提供严格的实时性能。将ROS 2与TSN网络结合使用，可以提供高精度和可靠的实时通信。

需要注意的是，提高ROS 2的实时性是一个综合性的工作，需要对整个系统进行细致的优化和配置。具体的方法和技术取决于应用的实时要求、硬件平台和操作系统。建议在实际应用中进行测试和调优，以确保满足实时性能的需求。

第6章 在Windows系统之上安装ROS：ROSOnWindows

ROSOnWindows（简称RoW）是一个官方支持的项目，旨在将ROS2引入Windows操作系统。

通过RoW，开发人员可以在Windows上使用ROS2进行机器人开发。

RoW 最早在 Windows 10 中的 Windows Subsystem for Linux (WSL 2) 上进行了实现，后来也支持了原生的 Windows 10 和 Windows Server 2019。

6.1 安装步骤

以下是使用RoW在Windows上安装和使用ROS2的一般步骤：

1. 安装WSL 2：首先，确保您的Windows 10 版本支持WSL 2，并将其启用。然后，从Microsoft Store中安装一个适合的Linux发行版，如Ubuntu 20.04。

2. 安装RoW工具：在WSL 2环境中，运行PowerShell并执行以下命令来安装RoW工具：

   Invoke-WebRequest -Uri https://aka.ms/rosinstall | Out-File rosinstall
   

3. 安装ROS2：在WSL 2环境中，运行PowerShell并执行以下命令来下载并安装ROS2：

   wsl -- ./rosinstall
   

4. 在Windows上使用ROS2：安装完成后，您可以在WSL 2环境中使用ROS2。可以参考ROS2的官方文档和教程来学习如何使用ROS2进行机器人开发。

请注意，由于RoW还是一个相对较新的项目，一些ROS2的功能和工具可能在Windows上有一些限制或不完全支持。因此，在使用RoW时，建议使用ROS2官方文档中针对Windows的特定部分，并遵循Windows上的最佳实践和建议。

有关更详细的安装和使用RoW的信息，您可以参考ROS官方文档中的ROSOnWindows部分：https://index.ros.org/doc/ros2/Releases/Release-Eloquent-Elusor/Installation/Windows-Install-Binary/

6.2 ROSOnWindows（RoW）带来了以下几个好处：

1. Windows生态系统支持：RoW使得在Windows操作系统上使用ROS2成为可能。这对于那些已经在Windows平台上进行开发的用户来说具有很大的吸引力，他们可以利用Windows上的开发工具和生态系统来构建和调试机器人应用程序。

2. 跨平台开发和部署：RoW允许开发人员在Windows上进行ROS2开发，并轻松地将其应用程序部署到其他支持ROS2的平台，如Linux和嵌入式系统。这提供了更大的灵活性和便利性，使开发人员能够在不同的硬件配置和操作系统上进行机器人应用程序的开发和测试。

3. 工具和资源共享：通过RoW，Windows用户可以访问和共享ROS2社区中存在的各种工具、库和资源。这些资源包括各种ROS2软件包、仿真工具、开发工具、教程和示例代码等。RoW为Windows用户打开了与全球ROS2开发者社区合作和共享的大门。

4. ROS2和Windows生态系统的互补性：对于那些在Windows平台上使用传感器、驱动器、图像处理和机器学习库以及其他各种硬件和软件的用户来说，RoW提供了将这些技术集成到ROS2生态系统中的机会。这种互补性可以使ROS2与Windows上可用的广泛工具和库无缝集成，从而打开更多的机器人应用领域。

虽然RoW使得在Windows上使用ROS2变得更加便利，但仍需注意其中的一些限制和注意事项。

在使用RoW时，建议参考ROS官方文档和RoW特定文档，以获得最佳的安装、配置和使用指南。

6.3 ROS2能提升Windows的实时性吗？

相对于ROS1，ROS2在实时性方面有所改进，并且提供了一些功能来支持实时应用。然而，需要明确的是，ROS2本身并不能显著提升Windows操作系统的实时性。也就是说，ROS2是软实时，并非操作系统调度层实时，也并不是硬件驱动层实时。

Windows操作系统并非实时操作系统（Real-Time Operating System，RTOS），它的调度器和内核设计并不专注于实时性能。尽管Windows提供了一些实时性能改进的功能，如实时时钟、实时优先级和调度策略，但它仍不具备传统实时操作系统的严格实时保证。

在ROS2中，针对实时性的改进主要体现在通信层面。ROS2引入了一种名为Data Distribution Service（DDS）的通信机制，该机制基于发布-订阅模式，支持更灵活、可靠和实时的通信。DDS协议本身支持实时性，并提供了使用QoS（Quality of Service）配置来满足实时性要求的方法。

使用ROS2的实时性特性需要结合支持实时性的系统和硬件平台，并进行适当的配置和调整。这通常涉及使用专门的实时操作系统、硬件加速以及优化和调整ROS2应用程序的参数和配置。在Windows上，并非所有实时性的需求都能够得到满足。

因此，要在Windows上获得更高的实时性能，建议考虑使用专门的实时操作系统，如Linux的实时内核（如PREEMPT-RT或Xenomai）或专为实时应用设计的实时操作系统（如VxWorks或RTOS）。这样的操作系统更适合需要严格实时保证的应用程序，并能与ROS2集成以提供更高的实时性能。

小结

随着技术的发展及人们需求的提高，机器人集成了越来越多的功能、传感器，对用户来说这越来越方便，但对开发者来说恰恰相反，功能的增加带来开发与集成难度迅速上升，机器人操作系统的出现有效缓解了这种问题。从计算机和智能手机的发展过程来看，合适与成熟的操作系统是智能机器人行业大规模发展和在人们的生活中普及的必要条件。

可以预见，未来几年将会出现众多机器人操作系统，在经过充分的发展竞争后将会有为数不多的几个操作系统会发展壮大并占据绝大部分市场，就像曾经的计算机操作系统和现在的手机操作系统。