【ROS学习笔记】ROS1和ROS2对比

前言

在具身智能行业加速向商用化迈进的背景下，早期支撑机器人技术发展的ROS1，因难以适配商用场景对可靠性、实时性等核心需求，正逐步退出历史舞台；而为突破这一技术瓶颈、推动机器人实现规模化商用，新一代机器人操作系统ROS2应运而生，为具身智能技术的产业落地提供了关键支撑。

ROS发展历程

上面这张时间线图清晰呈现了ROS（机器人操作系统）从起源到持续演进的关键历程，同时梳理了ROS1与ROS2两条技术线的核心发展节点：

• ROS1发展脉络：2007年，ROS雏形诞生于斯坦福大学的STAIR项目；2008年Willow Garage接手推动其发展；2010年，ROS 1.0（代号“Box Turtle”）正式发布；后续伴随2011年TurtleBot机器人（降低ROS入门门槛）发布、2012年首届ROSCon（ROS社区大会）举办、2013年Open Source Robotics Foundation（OSRF）接管生态运营，以及2014年ROS Indigo、2020年ROS Noetic等版本发布，再到2021年ROS World等社区活动，构成了ROS1从学术萌芽到生态繁荣的轨迹。

• ROS2发展脉络：为适配商用化、实时性等更复杂的技术与产业需求，ROS2逐步迭代：2017年发布ROS 2.0 Ardent版本，2020年发布ROS 2.0 Foxy版本，2022年推出ROS2 Humble LTS（长期支持版本），完成了从技术探索到稳定商用底座的进化，成为具身智能时代机器人开发的核心工具之一。

如果学习ROS2，建议选择ROS2 Humble版本。

ROS1 vs ROS2：优缺点全面对比

在机器人开发领域，ROS（Robot Operating System）扮演着核心角色。ROS1自2009年发布以来，已成为行业标准；而ROS2作为其进化版，从2015年起逐步完善。两者各有千秋，本文将深入对比它们的优缺点，帮助你选择最适合的工具。

ROS1概述

ROS1是一个开源框架，专注于简化机器人软件开发。它基于发布-订阅模型，使用TCP/IP协议进行节点间通信。核心组件包括主节点（master）管理节点注册，以及ROS消息传递系统。ROS1广泛应用于学术和工业场景，如自动驾驶和机械臂控制。

ROS2概述

ROS2是ROS的下一代版本，旨在解决ROS1的局限性。它采用DDS（Data Distribution Service）作为底层通信协议，支持去中心化架构。ROS2强调实时性、安全性和多机器人协作，适用于更复杂的系统，如工业自动化和智能物流。

1. 多机器人系统： 未来机器人一定不会是独立的个体，机器人和机器人之间也需要通信和协作，ROS2为多机器人系统的应用提供了标准方法和通信机制。
2. 跨平台： 机器人应用场景不同，使用的控制平台也会有很大差异，比如自动驾驶汽车中的算力性能肯定比AMR机器人强很多，为了让所有机器人都可以运行ROS2，ROS2可以跨平台运行于Linux、Windows、MacOS、RTOS，甚至是没有任何系统的微控制器（MCU）上，这样我们就不用纠结自己的控制器能不能用ROS了。
3. 实时性： 机器人运动控制和很多行为策略要求机器人具备实时性，比如机器人要可靠得在100ms内发现前方的行人，或者稳定的在1ms周期内完成运动学、动力学的解算，ROS2为类似这样的实时性需求提供了基本保障。
4. 网络连接： 无论在怎样的网络环境下，ROS2都可以尽量保障机器人大量数据的完整性和安全性，比如在wifi信号不好的时候数据也要尽力发送过去，在有黑客入侵风险的场景下要对数据进行加密解密。
5. 产品化： 现今大量机器人已经走向我们的生活，未来还会越来越多，ROS2不仅可以用于机器人研发阶段，还可以直接搭载在产品中，走向消费市场，这对ROS2的稳定性、强壮性也提除了巨大挑战。
6. 项目管理： 机器人开发是一个复杂的系统工程，设计、开发、调试、测试、部署等全流程的项目管理工具和机制，也会在ROS2中体现，更方便我们去开发一款机器人。

优缺点对比

以下从关键维度分析两者的优劣。为便于理解，我们使用表格形式总结核心点，再详细展开。

维度	ROS1 优点	ROS1 缺点	ROS2 优点	ROS2 缺点
实时性	简单易用，适合软实时应用	延迟高，不适合硬实时需求（如$\Delta t<10ms$）	支持硬实时，延迟低	配置复杂，需优化DDS参数
通信架构	成熟稳定，依赖主节点简化管理	主节点单点故障，网络中断导致系统崩溃	去中心化，无单点故障，支持多机器人	学习曲线陡峭，需掌握DDS概念
安全性	社区资源丰富，易于调试	缺乏内置加密，易受攻击	提供端到端加密和访问控制	部分安全特性需手动配置
兼容性与生态	包库庞大（如$\text{ROS Melodic}$含5000+包）	对新硬件支持有限	跨平台更好（支持Windows、RTOS）	包较少，兼容ROS1需桥接工具
开发效率	入门快，教程丰富	多机器人协作困难	模块化设计，便于扩展	文档不完善，社区支持较弱

详细解析：

• 实时性：ROS1在非实时场景表现优秀，但高负载下延迟波动大。例如，在运动控制中，延迟可能超过 $50ms$，导致精度下降。ROS2通过DDS实现确定性通信，延迟可控制在$1-5ms$内，适合工业机器人。但需注意：ROS2的实时性能依赖于DDS实现（如Fast DDS），配置不当会降低效率。
• 通信架构：ROS1的主节点简化了节点发现，但网络分区时系统失效。ROS2采用分布式发现机制，节点可独立运行，提升鲁棒性。例如，在多无人机编队中，ROS2无需中央协调器。然而，DDS的复杂性增加了开发门槛，新手可能需额外学习。
• 安全性：ROS1默认无加密，数据易被窃听（如$\text{消息泄露风险}$）。ROS2集成安全层，支持TLS/DTLS加密，满足ISO 21434标准。但启用安全特性会增加资源开销，需权衡性能。
• 兼容性与生态：ROS1拥有庞大社区，包如MoveIt和Gazebo可直接使用。ROS2生态正在成长，但许多包需移植；与ROS1兼容时，需使用ros1_bridge工具，可能引入延迟。
• 开发效率：ROS1的成熟工具链（如RViz）加速原型开发。ROS2的改进API（如rclpy）更模块化，但文档较少，初学者可能耗时更多。

其他考量

• 学习曲线：ROS1更易上手，适合教学和小项目；ROS2适合进阶开发者，需投入时间掌握DDS。
• 适用场景：
  • 选择ROS1：快速原型、教育、低实时需求项目（如服务机器人）。
  • 选择ROS2：工业自动化、多机器人系统、高安全应用（如医疗机器人）。
• 未来趋势：ROS2是官方重点发展方向，长期看将逐步取代ROS1。但过渡期需谨慎评估迁移成本。

结论

ROS1和ROS2并非简单替代关系，而是互补工具。ROS1以其成熟生态和低门槛，仍是入门首选；ROS2则在实时性、安全性和扩展性上优势明显，代表未来方向。建议：新项目优先考虑ROS2，旧系统可逐步迁移。最终选择应基于项目需求——追求稳定选ROS1，拥抱创新选ROS2。机器人领域日新月异，持续学习才能驾驭变革！