前言
ROS是開源的機器人操作系統(tǒng)軟件平臺，是機器人技術(shù)和人工智能技術(shù)的一個令人興奮的結(jié)合點。2007年前后，ROS起源于美國斯坦福大學人工智能實驗室與Willow Garage公司的項目合作； 2013年，ROS的開發(fā)和維護工作被移交給了開源機器人基金會（Open Source Robotics Foundation）。十余年來，ROS在國際學者的大力支持下迅速發(fā)展。隨著機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的主要目標是為不同類型的機器人提供基礎(chǔ)中間件和應(yīng)用軟件，降低機器人的開發(fā)和應(yīng)用難度，避免重復開發(fā)。ROS定義抽象層，允許軟件被多種機器人重用。然而，現(xiàn)有ROS在設(shè)計軟件框架時未預料到會如此受歡迎，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master節(jié)點發(fā)生問題時，將產(chǎn)生系統(tǒng)通信中斷的嚴重后果，不適合多機器人協(xié)作的應(yīng)用場景�，F(xiàn)有ROS的另一個重要瓶頸是實時性能差，難以應(yīng)用于對實時性能要求很高的領(lǐng)域。例如，運行于復雜動態(tài)環(huán)境中的高機動移動機器人、高速運行的流水線作業(yè)機器人等，要求機器人以極快的速度對指令進行響應(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)運而生。在ROS2開發(fā)過程中，對原ROS框架進行了重大改進。為了滿足多機器人協(xié)同工作的高可靠、實時性要求，ROS2摒棄了原來的master�瞫lave架構(gòu)，使用更加先進的分布式架構(gòu)，采用了數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)(DDS)技術(shù)，節(jié)點可以分布于不同主機，可以互為服務(wù)器/客戶端，方便負載均衡，可降低中心節(jié)點失效導致slave節(jié)點通信失敗的風險。更為重要的是，ROS2提供對實時操作系統(tǒng)和嵌入式設(shè)備的支持，使得實時控制可以直接在ROS2上運行，并支持節(jié)點間、進程間實時通信。ROS2的第一個正式版本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，如接口與編程語言無關(guān)、驅(qū)動程序和算法可封裝成獨立的庫、方便移植、支持多語言等。
作為國內(nèi)機器人操作系統(tǒng)的積極應(yīng)用者和推動者，研究團隊一直關(guān)注ROS和ROS2的發(fā)展，并積極探索、改進和應(yīng)用ROS及ROS2，開發(fā)了支持ROS和ROS2的JuLab系列機器人通用硬件平臺。為了更好地與對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，更深入地展示ROS2的架構(gòu)優(yōu)勢、運行模式以及應(yīng)用方法，本書從源代碼層面深入解析ROS2，并對常用工具庫及操控機器人的常用模塊進行了系統(tǒng)介紹。基于JuLab系列機器人，進行了具體應(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導航及應(yīng)用，通過ROS2發(fā)布里程計信息，基于JuLab1機器人完成SLAM開發(fā)。第5章介紹六軸機械臂軌跡規(guī)劃，基于JuLab1機器人完成實例開發(fā)。第6章介紹OpenCV圖像和視頻基礎(chǔ)，圖像轉(zhuǎn)換，機器人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。書中實踐案例部分以JuLab機器人為載體，該機器人助力哈爾濱工業(yè)大學計算機學院兩支隊伍奪得了2018年全國大學生物聯(lián)網(wǎng)大賽總決賽一等獎和二等獎。
本書作者均為從事機器人、操作系統(tǒng)科研和教學工作的人員。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。相關(guān)研究工作和本書的編著得到了哈工大機器人集團董事長王飛、高級副總裁于振中等領(lǐng)導的大力支持，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，清華大學出版社的編輯對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基金優(yōu)秀青年基金項目（51822502）、安徽省科技重大專項項目、合肥市廬州產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新團隊項目、哈工大機器人（合肥）國際創(chuàng)新研究院立項項目等資助，在此表示感謝！
由于作者水平所限，書中難免存在不足之處，敬請各位讀者批評指正。
作者2018年秋