裸机、OS、ROS

理清三个层级：裸机、OS、ROS

想象控制一个简单的轮式机器人移动：

1. 不使用操作系统 (裸机开发 - 如 STM32 纯寄存器/库开发)：

   • 你直接写 main.c 函数。
   • 在里面用 while(1) 循环不断扫描按键状态、读取传感器。
   • 根据按键状态或传感器值，直接计算 PWM 占空比，写寄存器控制电机。
   • 特点： 完全掌控硬件，实时性最高，代码简单直接。缺点： 功能复杂时（如同时处理多个传感器、复杂逻辑、网络通信）代码会变得极其臃肿、难以维护和扩展，缺乏任务调度、内存管理、文件系统等基础服务。适合： 极其简单的逻辑或对实时性要求极高的底层驱动（如电机 PWM 中断）。

2. 使用操作系统 (如 FreeRTOS on STM32, 或 Linux on 树莓派)：

   • FreeRTOS on STM32：
     • 你把不同功能拆分成任务：一个任务读按键，一个任务读传感器，一个任务控制电机，一个任务处理串口通信。
     • 操作系统负责在任务间调度 CPU 时间，提供队列、信号量、互斥锁等机制让任务间安全地传递数据和同步。
     • 你写的代码运行在这些任务里。
     • 特点： 结构化好，便于管理复杂逻辑和并发，实时性较好（尤其是 FreeRTOS）。缺点： 你需要自己实现机器人应用层的所有逻辑（导航、视觉识别等），通信机制相对底层（自定义协议），复用别人代码较难。
   • Linux on 树莓派：
     • 提供更强大的功能：完整的文件系统、网络协议栈（WiFi/Ethernet）、多用户、丰富的软件包（如 OpenCV, Python）。
     • 你可以用 C/C++/Python 等语言写程序，利用操作系统的服务。
     • 但如何让“读摄像头”的 Python 程序把图像数据高效地传递给“做导航”的 C++ 程序？你需要自己设计 IPC（进程间通信），比如 Socket 编程、共享内存、消息队列等。这很繁琐且容易出错。
     • 特点： 功能强大，资源丰富。缺点： 实时性不如 RTOS（但有 RT-Preempt 补丁等方案改善），构建复杂的多模块机器人软件系统时，通信和模块集成是巨大挑战。

3. 使用 ROS (运行在 Linux 之上 - 如 Ubuntu on 树莓派/Jetson/PC)：

   • ROS 不是替代 Linux，而是运行在 Linux 之上，为构建分布式、模块化的机器人软件系统提供了一套标准化的通信基础设施和开发工具集。
   • 你把机器人的不同功能拆分成独立的 ROS 节点：
     • keyboard_teleop_node (Python)： 订阅键盘按键话题，发布速度指令话题。
     • sensor_driver_node (C++)： 通过 rosserial 与 STM32 通信，订阅 STM32 发布的原始传感器话题，处理数据（如计算里程计），发布处理后的传感器话题 (/odom, /imu/data)。
     • navigation_node (C++)： 订阅 /odom, /imu/data, /scan (激光雷达)，地图话题，目标点服务请求。进行路径规划，发布速度指令话题 (/cmd_vel)。
     • motor_controller_node (C++)： 订阅 /cmd_vel 话题，计算电机 PWM 指令，通过 rosserial 发布给 STM32。
   • 节点间通过 ROS 话题/服务通信： /cmd_vel 话题连接了 navigation_node 和 motor_controller_node，也连接了 keyboard_teleop_node 和 motor_controller_node。/odom 连接了 sensor_driver_node 和 navigation_node。导航节点可能调用 SLAM 节点提供的建图服务。
   • ROS Master 帮助节点自动发现彼此。
   • 特点：
     • 模块化： 节点独立开发、编译、运行、调试、复用。
     • 标准化通信： 话题/服务机制清晰、高效（底层是优化的 TCP/UDP），解耦了数据生产者和消费者。
     • 丰富的工具： RViz 可视化，rqt 图形化配置，rosbag 记录回放数据，Gazebo 仿真。
     • 庞大的生态： 直接使用他人写好的节点（如现成的激光雷达驱动、导航栈、MoveIt!）。
     • 分布式： 节点可以运行在多台机器上（如传感器处理在树莓派，复杂导航在更强大的笔记本）。
   • 缺点： 学习曲线较陡，系统相对庞大，对硬件资源要求高于裸机或简单RTOS，实时性需额外优化（ROS 2 对此有改进）。

关键区别总结表：