- 为什么无人机开发几乎绕不开 ROS？
在无人机控制领域，尤其是”自主无人机“（非纯遥控飞行器），系统复杂度会迅速上升：
- 传感器：IMU、相机、激光雷达、GPS、气压计
- 算法模块：SLAM、状态估计、路径规划、避障
- 控制模块：位置控制、姿态控制、任务逻辑
- 通信模块：地面站、多机通信、远程链路
在这种背景下，如果完全依靠“裸代码 + 自己写通信”，工程成本会非常高。
ROS 的价值不在于“控制”，而在于“系统组织能力”。
在无人机中，ROS 通常承担以下角色：
- 作为 高层系统中枢
- 管理传感器数据流
- 对接 SLAM、规划、感知算法
- 与飞控（PX4 / ArduPilot）通信
而不是直接跑在电机控制环中。
2. ROS1 的核心架构与其在无人机中的现实表现
2.1 ROS1 的通信模型回顾
ROS1 采用的是 **Master + Node 的中心化架构：
- 所有节点先向 ROS Master 注册
- 节点之间通过 TCPROS / UDPROS 通信
- Master 只负责“名字解析”，不传输数据
这种架构在桌面机器人、科研验证阶段非常好用，但在无人机中问题逐渐显现。
2.2 ROS1 在无人机工程中的典型优点
（1）生态极其成熟
这是 ROS1 最大的优势。
- ORB-SLAM、VINS-Fusion、RTAB-Map
- MAVROS（PX4 / ArduPilot 官方支持）
- 大量教学和工程示例
对无人机初学者来说，ROS1 是成本最低的入门方案。
（2）学习曲线平缓
- 节点、话题、服务模型简单
- 调试工具完善（rviz / rqt）
- CSDN、GitHub 资料极多
很多高校无人机实验室至今仍以 ROS1 为主，就是这个原因。
2.3 ROS1 在无人机中暴露出的关键问题
（1）实时性不足
ROS1 的通信机制并非为实时系统设计：
- 基于 TCP，存在不确定延迟
- 无法对通信进行严格时序控制
- 不支持实时调度策略
在无人机中，这意味着：
- SLAM 与控制之间存在延迟抖动
- 高速飞行时状态信息“过期”
- 控制稳定性受影响
因此ROS1 几乎不会直接参与飞控闭环。
（2）网络依赖强，单点失效风险大
ROS Master 一旦异常：
- 节点发现失败
- 多机系统容易“全体失联”
在无人机多机编队、集群系统中，这是一个非常严重的隐患。
（3）多机系统支持非常有限
在 ROS1 中实现多无人机系统，往往需要：
- 多个 ROS Master
- 复杂的 namespace 和 remap
- 额外桥接程序
工程复杂度很高，不利于扩展。
3. ROS2 的设计初衷：它本来就是为无人机而生的
ROS2 并不是 ROS1 的“升级版”，而是一次彻底重构。
其设计目标本身就包含：
- 实时系统支持
- 多机器人系统
- 分布式通信
- 工业级可靠性
这与无人机系统的需求高度重合。
- ROS2 架构：从 Master 到 DDS 的本质变化
4.1 DDS 去中心化通信机制
ROS2 基于 DDS（Data Distribution Service）：
- 无 Master
- 节点自动发现
- 发布-订阅为底层原生能力
这对无人机意味着：
- 系统鲁棒性显著提升
- 网络中任意节点掉线不会导致全系统瘫痪
- 天然支持多机通信
4.2 QoS：无人机工程中极其重要的一点
ROS2 允许对通信质量进行精细控制：
- 是否可靠传输
- 是否允许丢包
- 历史数据缓存长度
- 实时优先级
在无人机中可以做到：
- 控制指令：高优先级、低延迟
- 传感器数据：允许丢包
- 日志信息：低优先级
这是 ROS1 完全不具备的能力。
- ROS2 在无人机系统中的实际优势分析
5.1 更适合与飞控系统协同
在典型架构中：
飞控（PX4）
↑↓
ROS2（SLAM / 规划 / 决策）
ROS2 的实时性和确定性，使其：
- 更适合作为“中高频控制逻辑层”
- 能稳定提供位置、速度、轨迹参考
- 与飞控之间的数据同步更可靠
5.2 多无人机系统的天然优势
在 ROS2 中：
- 每架无人机 = 一组节点
- DDS 自动完成发现和通信
- 不需要额外桥接 Master
这使得：
- 编队飞行
- 协同建图
- 集群任务分配
在系统层面变得可控、可扩展。
5.3 更接近工程级系统设计
ROS2 支持：
- 生命周期节点
- 组件化部署
- 与 RTOS / 实时 Linux 更好集成
这使 ROS2 不再只是“实验室工具”，而是：
可以真正进入无人机工程系统的中间件。
- ROS1 vs ROS2：无人机工程视角总结
6.1 什么时候 ROS1 仍然合适？
- 学习阶段
- 单机实验
- 算法验证（SLAM / 感知）
- 不追求实时性
ROS1 的最大价值在于“低门槛 + 快速验证”。
- 6.2 什么时候必须选择 ROS2？
- 多无人机系统
- 对实时性有要求
- 工程化项目
- 长期维护系统
7. 无人机系统中的实际选型建议（非常重要）
建议一：学习与工程分阶段
-
前期：ROS1 + PX4 + 仿真
-
后期：ROS2 + PX4 + 实机
建议二：ROS 永远不要替代飞控 -
ROS 负责“想飞哪”
-
飞控负责“怎么飞稳”
这一点在 ROS1 和 ROS2 中都成立。
建议三：尽早理解 ROS2，而不是等被迫迁移
ROS2 是趋势，不是选择题。