从ROS1迁移到ROS2不仅是技术栈的升级，更是机器人系统设计理念的转变。以下是跨越这一鸿沟的核心策略与关键考量，涵盖架构、通信、工具链和生态适配等层面，不涉及具体代码实现：
一、架构重构：从中心化到分布式
1. 解耦roscore依赖
- ROS1问题：所有节点必须连接roscore，单点故障会导致整个系统瘫痪。
- ROS2方案：
- DDS网络层：节点通过DDS发现机制自动建立通信（如Fast DDS、Cyclone DDS），无需中心化服务。
- 动态拓扑：支持节点动态加入/退出（如无人机编队中的新成员加入）。
- 迁移建议：
- 逐步替换ros::NodeHandle为rclcpp::Node，并移除对roscore的显式调用。
- 在混合部署阶段，使用ros1_bridge实现ROS1节点与ROS2节点的透明通信。
2. 生命周期管理
- ROS1问题：节点启动后持续运行，缺乏状态控制（如初始化、错误恢复）。
- ROS2方案：
- Lifecycle Nodes：定义Inactive、Active、Finalized等状态，支持安全启动/关闭。
- Managed Executors：通过rclcpp_lifecycle管理节点生命周期，避免资源泄漏。
- 迁移建议：
- 将关键节点（如传感器驱动、控制算法）重构为Lifecycle Nodes。
- 使用ros2 lifecycle命令行工具监控节点状态。
二、通信机制升级：从TCP/UDP到DDS
1. QoS策略匹配
- ROS1问题：通信可靠性依赖TCP（重传导致延迟）或UDP（丢包风险）。
- ROS2方案：
- QoS配置文件：通过Reliability（可靠/尽力）、Durability（瞬态/持久）等参数定制通信行为。
- 场景化配置：
- 实时控制：Reliable + BestEffort混合模式（如命令用可靠传输，状态用低延迟传输）。
- 大规模部署：Keyed QoS实现数据分区（如多机器人避免消息冲突）。
- 迁移建议：
- 使用ros2 topic info分析现有ROS1话题的传输特性，映射到ROS2 QoS策略。
- 在混合系统中，通过ros1_bridge的QoS转换功能（需手动配置）。
2. 服务与动作的进化
- ROS1问题：
- rosservice同步调用阻塞节点，rosaction缺乏取消机制。
- 无法处理长时间运行的服务（如路径规划）。
- ROS2方案：
- 异步服务：基于回调的服务调用（rclcpp::Service），避免阻塞。
- 增强型动作：支持Cancel、Feedback中断（如机械臂中途停止任务）。
- 迁移建议：
- 将rosservice替换为异步服务接口，保留原有业务逻辑。
- 使用ros2 action list验证动作服务兼容性。
三、工具链适配：从rostopic到ros2 doctor
1. 调试与监控
- ROS1工具：rostopic echo、rqt_graph、rosbag record。
- ROS2增强工具：
- ros2 doctor：自动检测网络配置、QoS冲突、节点状态等问题。
- ros2 topic hz：实时测量话题发布频率，验证实时性。
- ros2 node info：显示节点详细信息（包括DDS参与者ID）。
- 迁移建议：
- 使用ros2 run替代rosrun启动节点，并配合--ros-args传递参数。
- 通过ros2 launch管理复杂系统启动（支持条件依赖和参数覆盖）。
2. 仿真与可视化
- ROS1生态：Gazebo 7/9、RViz。
- ROS2生态：
- Gazebo Fortress：支持物理引擎热插拔（如切换ODE/Bullet）和分布式仿真。
- Foxglove Studio：跨平台可视化工具（替代RViz2），支持Web部署。
- 迁移建议：
- 在Gazebo中启用ROS2_CONTROL框架，统一硬件接口抽象。
- 使用ros2 bag记录/回放数据（支持SQL查询和压缩存储）。
四、生态兼容：ROS1与ROS2共存
1. 混合部署策略
- 场景需求：
- 逐步迁移：部分节点运行在ROS1（如成熟算法），部分运行在ROS2（如新硬件驱动）。
- 硬件限制：旧设备（如ARM Cortex-M3）仅支持ROS1。
- 解决方案：
- ros1_bridge：双向代理ROS1和ROS2话题/服务（需手动配置映射关系）。
- micro-ROS：在嵌入式设备上运行ROS2轻量级客户端（通过Agent连接DDS网络）。
- 迁移建议：
- 优先迁移高带宽、低延迟需求节点（如LiDAR驱动）到ROS2。
- 使用ROS_DISTRO环境变量切换开发环境（如source /opt/ros/noetic/setup.bash）。
2. 包与依赖管理
- ROS1问题：catkin_make依赖全局安装，版本冲突常见。
- ROS2方案：
- colcon构建工具：支持工作空间隔离（类似Python虚拟环境）。
- vcs（Version Control System）：管理多仓库依赖（如vcs import < repository.repos）。
- 迁移建议：
- 将CMakeLists.txt和package.xml升级为ROS2格式（注意find_package名称变化）。
- 使用rosdep install --from-paths src --ignore-src -y自动解析依赖。
五、性能优化：从软实时到硬实时
1. 实时内核配置
- ROS1限制：依赖PREEMPT_RT补丁，但未标准化。
- ROS2方案：
- CYCLONEDDS_CONFIG：通过配置文件调整DDS线程优先级（如<Priority>90</Priority>）。
- chrt工具：手动设置节点进程优先级（如chrt -r 50 ros2 run my_pkg node）。
- 迁移建议：
- 在Xenomalow或RTOS上测试硬实时性能（目标延迟<1ms）。
- 使用rt-tests工具包验证系统实时性（如cyclictest测量调度延迟）。
2. 内存与CPU优化
- ROS1问题：tf广播可能导致内存泄漏（未正确删除静态变换）。
- ROS2方案：
- tf2_ros::Buffer：支持时间回溯查询（避免缓存爆炸）。
- rclcpp::SensorDataQoS：零拷贝传输（需硬件支持共享内存）。
- 迁移建议：
- 使用valgrind --tool=memcheck检测内存泄漏。
- 通过/proc/<pid>/stat监控节点CPU占用率。
六、迁移路线图建议
- 阶段1：评估与规划
- 列出所有ROS1节点，标记迁移优先级（如驱动>算法>工具）。
- 测试目标硬件的ROS2兼容性（尤其是实时性和DDS性能）。
- 阶段2：混合部署
- 使用ros1_bridge连接关键节点，逐步替换低优先级模块。
- 在仿真环境中验证通信延迟和QoS策略。
- 阶段3：全ROS2部署
- 移除ros1_bridge，完成Lifecycle Nodes和QoS全覆盖。
- 建立持续集成（CI）流程（如GitHub Actions + colcon test）。
