ROS（Robot Operating System）起源于2007年斯坦福大學人工智能實驗室與機器人技術公司W(wǎng)illow Garage的項目合作，ROS的首要設計目標是提高機器人研發(fā)領域的代碼復用率。2010年Willow Garage公司發(fā)布了開源的機器人操作系統(tǒng)ROS，ROS的誕生大大提高了機器人軟件的開發(fā)效率。即使是小型的初創(chuàng)公司，也能在短期內(nèi)開發(fā)復雜的機器人應用。ROS是學術界使用最廣泛的框架，也是機器人領域的普遍標準，越來越多的機器人廠商都已使用ROS，其中占工業(yè)市場份額最大的機器人四大家族也都有基于ROS開發(fā)的產(chǎn)品。

Kuka LBR iiwa 機械臂

無人駕駛的興起，也促進了ROS的進一步發(fā)展（無人駕駛汽車相當于一個大號的移動機器人）。寶馬、博世等世界知名整車廠及零部件供應商，也都將其作為無人駕駛汽車的重要工具。

2018年春晚，百度Apollo無人車隊跨越港珠澳大橋

谷歌、百度、微軟、亞馬遜等眾多知名企業(yè)的平臺和產(chǎn)品也均支持ROS。美國宇航局NASA，基于ROS開發(fā)了宇航機器人，并應用在國際空間站中。

Robonaut2 在國際空間站中工作

ROS基于功能把整個系統(tǒng)分成多個模塊，當模塊需要聯(lián)調(diào)時，通過框架可以把各個模塊快速的集成到一起，建立復雜的系統(tǒng)以實現(xiàn)復雜的功能。ROS框架中有數(shù)千個基礎庫，能夠支持應用的快速開發(fā)，很多現(xiàn)存的開源項目的代碼都已集成到ROS平臺中，例如：OpenCV（視覺），Player（驅動、運動控制和仿真），OpenRAVE（軌跡規(guī)劃），SLAM（定位，建圖，導航）等等。

ROS中的軟件以Package的方式組織起來，每個Package由節(jié)點（Node）、依賴庫、數(shù)據(jù)套、配置文件、第三方軟件、或者任何其他邏輯構成。ROS Package是一種便于軟件重復使用的結構。

目前，工業(yè)機器人領域對于機器視覺、自主路徑規(guī)劃等智能化功能需求日益增長。然而，在傳統(tǒng)的工業(yè)機器人系統(tǒng)中添加智能化功能模塊時需要修改大量的源碼，要耗費大量的人力資源和成本投入。通過部署ROS系統(tǒng)，PLCnext用戶可以直接從海量的ROS軟件池中獲取ROS功能包。從而實現(xiàn)智能工業(yè)機器人系統(tǒng)的快速開發(fā)。

ROS 部署在PLCnext上的架構

從軟件構架的角度說，ROS是一種基于消息傳遞通信的分布式多進程框架。ROS系統(tǒng)通常由大量節(jié)點組成，其中任何一個節(jié)點均可與其他節(jié)點進行通信。ROS作為一個靈活的操作系統(tǒng)，其上的節(jié)點具有很大的隨意性。它們可以位于不同的計算機上，甚至可以位于不同的網(wǎng)絡中。上述的靈活性使得ROS可以適應眾多不同的應用場景。

ROS Network

ROS 的主要組件包括ROS Master、ROS Node和ROS Service三種。ROS Master是一個超級管理員，管理著系統(tǒng)中所有的節(jié)點。ROS Master的主要功能是命名服務，它存儲了啟動時需要的運行時參數(shù)，上游（消息發(fā)布）節(jié)點和下游（消息接收）節(jié)點的連接名、連接方式，和已有ROS服務的連接名。

ROS Node是真正的執(zhí)行模塊（每個ROS node都是一個獨立的可執(zhí)行程序），對收到的消息進行處理，并且發(fā)布新的消息給下游節(jié)點。ROS Service是一種特殊的ROS節(jié)點，它相當于一個服務節(jié)點，接受請求并返回請求的結果。

下圖展示了ROS通信的流程順序，首先節(jié)點會向master advertise或者subscribe感興趣的topic。當創(chuàng)建連接時，下游節(jié)點會向上游節(jié)點TCP Server發(fā)布連接請求，等連接創(chuàng)建后，上游節(jié)點的消息就會通過連接送至下游節(jié)點。

ROS Node通信流程

AXC F 2152：基于最新的PLCnext Technology，突破了編程語言的限制，融合了傳統(tǒng)控制器的可靠性和智能終端的強大應用，面向開源，面向未來的新一代控制器；

TurtleBot3：是一款模塊化、可編程的基于ROS的移動機器人，由Willow Garage公司開發(fā)。其內(nèi)部已集成SLAM導航功能包、遙控功能包以及與行駛相關的bringup等功能包；

首先，需要在PLCnext中創(chuàng)建ROS Master，它負責管理我們的整個系統(tǒng)，接著創(chuàng)建Instruction Node，它負責從本地IO（I/O modules）中讀取數(shù)據(jù)（前進，后退，速度控制指令），將獲取到的數(shù)據(jù)打包成會話（Topic）的格式，然后發(fā)布（Publish）。TurtleBot3中的指令接收節(jié)點Motion Node Group（實際上不止一個節(jié)點，為便于理解，就用Node Group指代），負責訂閱（Subscribe）這個類型的會話（Topic）。當PLCnext中的Instruction Node接收到本地IO中傳來的指令時，就會立刻通過TCP/IP協(xié)議發(fā)送給TurtleBot3中的Motion節(jié)點，從而控制車輪的轉動。

同樣，在TurtleBot3移動的過程中，SLAM Node會基于激光雷達傳來的數(shù)據(jù)，進行即時的定位與地圖的構建，并將定位和建圖的數(shù)據(jù)封裝成會話（Topic）的格式，然后發(fā)布（Publish）。PC端仿真建圖軟件的節(jié)點Simulation Node，訂閱（Subscribe）這個類型的會話（Topic）。于是在TurtleBot3移動的過程中，我們就能夠在PC端的仿真軟件中看見及時的定位與建圖的更新。

ROS Node 工作流圖

下面視頻便是PLCnext上搭載ROS Master與TurtleBot3機器人及PC機路徑規(guī)劃仿真的概念演示。