ROS2加持，SU17实现全控制链路再进化

在无人系统技术持续演进的浪潮中，ROS2凭借其分布式通信机制、实时性保障与跨平台扩展能力，正在逐步成为下一代机器人软件架构的主流选择。

阿木实验室秉持“从底层打通、从仿真到实飞全链路验证”的理念，率先将Prometheus自研飞控框架全面迁移至ROS2平台，从最初在Prosim仿真环境中验证基本控制，到如今让SU17在真实飞行中完整运行ROS2全链路控制，我们完成了多轮固件改动、通信优化与功能扩展，并在室内与户外均取得了稳定飞行效果。

适配ROS2的好处

极低的资源占用

对设备进行了优化，资源占用极低，主要通过DDS实现选择、零拷贝通信、内存管理。

实验测试如下：

1. 节点内存消耗

测试环境：

硬件：SU17 (intel 8365U, 8GB RAM)

系统：Ubuntu 20.04 + ROS 2 Foxy vs. ROS 1 Noetic

测试场景：

单个节点发布/订阅100Hz的 sensor_msgs/Image 消息（640x480 RGB）。

指标	ROS2(FAST DDS)	ROS1	优化幅度
节点内存占用	0-15MB	0-25MB	40%
CPU使用率	0-8%	0-12%	33%

2. 多节点通信开销

测试场景：

10 个节点相互通信（发布/订阅），消息类型为 geometry_msgs/Twist。

指标	ROS2(Cyclone DDS)	ROS1
总内存占用	0-120MB	0-200MB
网络延迟	2ms±0.5ms	5ms±1.5ms

实时性优势

ROS 2 的实时性优势主要通过DDS底层协议、线程模型优化、确定性调度和低延迟通信实现。

单节点端到端延迟测试：

测试环境：

硬件：SU17 (intel 8365U, 8GB RAM)

系统：Ubuntu 20.04 + ROS 2 Foxy (Fast DDS) vs. ROS 1 Noetic

测试场景：

单个发布者-订阅者传输 std_msgs/Float64（1 kHz 频率）

指标	ROS2(FAST DDS)	ROS1	优化幅度
平均延迟	0.8ms	2.5ms	68%
延迟抖动（Jitter）	±0.2ms	±0.1ms	80%

实时线程优先级测试

测试场景：

ROS2允许为关键线程（如控制循环）分配实时优先级（Linux SCHED_FIFO），而ROS 1无此功能。

测试场景：

测试两个节点（控制节点 @ 1 kHz + 后台计算负载）。

配置	ROS2(优先级 90)	ROS1（默认）
控制循环周期抖动	±5μs	±500μs
最坏响应时间	1ms	10ms

QoS（服务质量）

与标准DDS 一致，支持对通信的可靠性、延迟、带宽等进行精细化控制，确保关键数据的可靠性和实时性。

QoS 核心策略及量化影响

ROS 2 提供多种 QoS 策略组合，以下为关键策略及其效果：

高丢包环境下的可靠性测试

测试场景：

网络模拟丢包率 20%，传输1000条std_msgs/String消息。

对比 RELIABLE vs BEST_EFFORT QoS。

QoS配置	消息到达率	平均延迟	CPU占用
RELIABLE	100%	12 ms	22%
BEST_EFFORT	80%	5 ms	15%

轻量级协议

相比标准DDS协议，microRTPS消息头更短，减少了传输开销。高效的点对点通信：通过可靠的实时通信机制，实现设备之间快速数据交换，适合嵌入式设备（如飞控）。

microRTPS 的消息头

1. microRTPS 消息头大小：

• 仅 4~8 字节（精简了冗余字段，仅保留必要标识符和序列号）。

2. PX4 实测数据：

• 对于小型消息（如传感器数据），microRTPS 的消息头占比从 DDS 的 30%~50% 降至 10%~15%。

• 例如：传输一个 16 字节的 vehicle_odometry 消息：标准 DDS：总大小 = 16（负载） + 28（头） = 44 字节。

• microRTPS：总大小 = 16（负载） + 4（头） = 20 字节（传输效率提升 54%）。

3. 延迟测试（PX4 SITL + RTPS 代理）

• 测试环境： SU17下：buntu 20.04，PX4 v1.13，UDP 传输，本地回环。

• 测试结果： 标准 DDS：平均延迟 1.2~2.5 ms。 microRTPS：平均延迟 0.3~0.8 ms。

4. 吞吐量测试

• 场景：持续发送 100Hz 的 sensor_combined 消息（负载 64 字节）。

• 标准 DDS：最大稳定吞吐量约 800 Hz（CPU 占用率 15%）。

• microRTPS：最大稳定吞吐量 2000 Hz（CPU 占用率 8%）。

资源占用对比

指标	标准DDS	microRTPS
内存占用	10-20MB	1-2MB
CPU 占用	较高（多线程QoS）	极低（单线程精简）
带宽利用率	60%-70%	85%-90%

此外ROS2相比ROS1还有具有其他好处如：

多平台支持（Cross-Platform）

分布式系统（Distributed Systems）

安全性（Security）

生命周期管理（Lifecycle）

动态参数配置（Dynamic Reconfiguration）

工具和生态（Tools and Ecosystem）

系统架构

SU17(PX4) ↔ microRTPS ↔ ROS2 ↔ Prometheus

• microRTP是PX4生态系统中用于实现基于 RTPS(Real-TimePublish-Subscribe)协议的通信工具。

• 它是 PX4 与地面站或其他支持 RTPS 的系统（如 ROS 2）之间的桥梁。

• microRTPS 使用 Fast DDS（原名 Fast RTPS）作为其底层实现。

从仿真到真机

在ROS2从ProSim仿真环境迁移到真机实飞的过程中，我们对飞控固件、参数配置以及中间通信机制进行了大量适配工作，逐步打通了ROS2控制通信链路。

在室内飞行场景中，SU17搭载的定位模块(BSA_SLAM),通过程序直接将定位数据转发至microRTPS接口，再由 PX4 飞控系统接收，实现了无需额外中间件的高效闭环控制。这一方式不仅简化了系统架构，也显著降低了延迟与耦合度，提升了整体飞行控制的实时性与稳定性。

除了上面演示的控制外，其他的控制接口也完善适配，完整控制接口如下：

• 1. 惯性系-位置控制（XYZ_POS）

• 2. 惯性系-定高速度控制（XY_VEL_Z_POS）

• 3. 惯性系-速度控制（XYZ_VEL）

• 4. 机体系-位置控制（XYZ_POS_BODY）

• 5. 机体系-速度控制（XYZ_VEL_BODY）

• 6. 机体系-定高速度控制(XY_VEL_Z_POS_BODY）

• 7. 轨迹控制（TRAJETCORY）

• 8. 姿态控制（XYZ_ATT）

• 9. 经纬高控制（LAT_LON_ALT）

全新ROS2适配版SU17正在路上，敬请关注阿木实验室的后续更新！

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