D2-ROS2学习文档

1 简介

ROS2（Robot Operating System 2）是一个开源的机器人开发框架，旨在简化机器人软件的开发和集成。它提供了一系列工具、库和约定，帮助开发者在不同平台上构建复杂的机器人行为。相比 ROS1，ROS2 引入了改进的性能、更高的可靠性和更灵活的架构，广泛应用于机器人研究和工业应用。本教程为初学者设计，涵盖 ROS2 的安装、核心概念和简单程序开发，内容以 Markdown 格式呈现，易于阅读和实践。

1.1 主要特点

微内核架构：通过数据分发服务（DDS）提供高效的通信机制，支持分布式系统。
实时性能：支持实时任务调度，适合嵌入式和工业应用。
跨平台支持：可在 Linux、Windows 和 macOS 上运行。
模块化设计：通过节点、主题、服务等模块化组件实现灵活的系统架构。
社区支持：拥有活跃的开源社区，提供丰富的教程和包。

1.2 历史背景

ROS1 由 Willow Garage 于 2007 年推出，ROS2 则由 Open Robotics（现为 Intrinsic）于 2014 年开始开发。ROS2 的首个稳定版本（Ardent Apalone）于 2017 年发布，当前最新稳定版本为 Humble Hawksbill（2022 年发布，长期支持至 2027 年）。ROS2 解决了 ROS1 的单点故障问题，并支持更广泛的工业应用。

2 关键点

ROS2 概述：ROS2 是一个强大的机器人开发框架，支持跨平台开发，适合初学者和专业开发者。
学习路径：从初始安装 ROS2 开始，逐步掌握节点、主题、服务等核心概念，并通过示例程序实践。
资源推荐：官方文档和 GitHub 仓库（如 MOGI-ROS）提供丰富的学习材料，部分以 Markdown 格式呈现。
实践重要性：ROS2 学习需要动手操作，建议在 Ubuntu 环境中安装 ROS2 并运行示例。

3 前置条件

编程基础：熟悉 Python 或 C++，Python 更适合初学者。
操作系统知识：了解 Linux（特别是 Ubuntu）命令行操作。
硬件准备：一台运行 Ubuntu 22.04 的计算机（物理机或虚拟机），建议 8 GB RAM 和 20 GB 磁盘空间。
网络环境：稳定的互联网连接，用于下载 ROS2 和依赖包。

4 设置 ROS2 开发环境

4.1 系统要求

操作系统：推荐使用 Ubuntu 22.04（Jammy Jellyfish），这是 ROS2 Humble 的主要支持平台。
硬件：至少 4GB 内存和 10GB 磁盘空间，建议使用虚拟机或物理机。

4.2 安装步骤

4.2.1 安装 Ubuntu 22.04

下载并安装 Ubuntu 22.04，可使用 VMware 或 VirtualBox 创建虚拟机。
更新系统：
```
sudo apt update && sudo apt upgrade -y
```

4.2.2 设置软件源

确保系统支持 UTF-8 编码：locale。

添加 ROS2 软件源：

sudo apt update && sudo apt install -y curl gnupg2 lsb-release
sudo curl -sSL https://raw.githubusercontent.com/ros/rosdistro/master/ros.key -o /usr/share/keyrings/ros-archive-keyring.gpg
echo "deb [arch=$(dpkg --print-architecture) signed-by=/usr/share/keyrings/ros-archive-keyring.gpg] http://packages.ros.org/ros2/ubuntu $(lsb_release -cs) main" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/ros2.list > /dev/null

4.2.3 安装 ROS2 Humble

更新软件包并安装桌面完整版：

sudo apt update
sudo apt install -y ros-humble-desktop-full

安装开发工具：

sudo apt install -y python3-colcon-common-extensions python3-rosdep python3-vcstool

4.2.4 配置环境

将 ROS2 环境变量添加到 ~/.bashrc：

echo "source /opt/ros/humble/setup.bash" >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc

初始化 rosdep：
```
sudo rosdep init
rosdep update
```

4.2.5 验证安装

检查 ROS2 版本：ros2 --version，应显示版本信息（如 humble）。
运行 turtlesim 示例：
```
ros2 run turtlesim turtlesim_node
```
应出现一个乌龟模拟器窗口。
使用 ros2 doctor 检查安装是否完整。

5 ROS2 核心概念

5.1 核心组件

节点（Nodes）：独立运行的进程，负责特定功能（如传感器数据采集或运动控制）。
主题（Topics）：节点通过发布-订阅模型进行异步通信，适合连续数据流。
服务（Services）：基于请求-响应的同步通信，适合一次性任务。
参数（Parameters）：动态配置节点的运行时属性。
动作（Actions）：支持长时间运行的任务，包含目标、反馈和结果。
工作空间（Workspace）：使用 colcon 工具管理代码和依赖。

5.2 常用命令

命令	功能
`ros2 node list`	列出当前运行的节点
`ros2 topic list`	列出当前活跃的主题
`ros2 topic echo <topic>`	显示指定主题的消息内容
`ros2 service list`	列出当前可用的服务
`ros2 run <pkg> <node>`	运行指定包中的节点

6 开发简单 ROS2 应用程序

以下是基于 Python 和 C++ 的发布者-订阅者程序示例，展示 ROS2 的主题通信机制。

6.1 Python 实现

6.1.1 创建包

在工作空间中创建 Python 包：

cd ~/ros2_ws/src
ros2 pkg create --build-type ament_python my_python_package --dependencies rclpy std_msgs

6.1.2 发布者代码（publisher.py）

在 my_python_package/my_python_package/publisher.py 中添加以下代码：

import rclpy
from rclpy.node import Node
from std_msgs.msg import Stringclass MinimalPublisher(Node):def __init__(self):super().__init__('minimal_publisher')self.publisher_ = self.create_publisher(String, 'topic', 10)timer_period = 0.5  # secondsself.timer = self.create_timer(timer_period, self.timer_callback)self.i = 0def timer_callback(self):msg = String()msg.data = 'Hello, ROS2 from Python: %d' % self.iself.publisher_.publish(msg)self.get_logger().info('Publishing: "%s"' % msg.data)self.i += 1def main(args=None):rclpy.init(args=args)minimal_publisher = MinimalPublisher()rclpy.spin(minimal_publisher)minimal_publisher.destroy_node()rclpy.shutdown()if __name__ == '__main__':main()

6.1.3 订阅者代码（subscriber.py）

在 my_python_package/my_python_package/subscriber.py 中添加以下代码：

import rclpy
from rclpy.node import Node
from std_msgs.msg import Stringclass MinimalSubscriber(Node):def __init__(self):super().__init__('minimal_subscriber')self.subscription = self.create_subscription(String, 'topic', self.listener_callback, 10)self.subscription  # prevent unused variable warningdef listener_callback(self, msg):self.get_logger().info('I heard: "%s"' % msg.data)def main(args=None):rclpy.init(args=args)minimal_subscriber = MinimalSubscriber()rclpy.spin(minimal_subscriber)minimal_subscriber.destroy_node()rclpy.shutdown()if __name__ == '__main__':main()

6.1.4 配置包

编辑 my_python_package/setup.py，确保包含以下 entry_points：

entry_points={'console_scripts': ['publisher = my_python_package.publisher:main','subscriber = my_python_package.subscriber:main',],
},

6.1.5 构建和运行

构建工作空间：

cd ~/ros2_ws
colcon build
source install/setup.bash

运行发布者：
```
ros2 run my_python_package publisher
```
在另一个终端运行订阅者：
```
ros2 run my_python_package subscriber
```

6.1.6 运行结果

订阅者将打印类似以下输出：

[INFO] [minimal_subscriber]: I heard: "Hello, ROS2 from Python: 0"
[INFO] [minimal_subscriber]: I heard: "Hello, ROS2 from Python: 1"

6.2 C++ 实现

6.2.1 创建包

在工作空间中创建 C++ 包：

cd ~/ros2_ws/src
ros2 pkg create --build-type ament_cmake my_cpp_package --dependencies rclcpp std_msgs

6.2.2 发布者代码（publisher.cpp）

在 my_cpp_package/src/publisher.cpp 中添加以下代码：

#include <chrono>
#include <memory>
#include <rclcpp/rclcpp.hpp>
#include <std_msgs/msg/string.hpp>using namespace std::chrono_literals;class MinimalPublisher : public rclcpp::Node
{
public:MinimalPublisher(): Node("minimal_publisher"), count_(0){publisher_ = this->create_publisher<std_msgs::msg::String>("topic", 10);timer_ = this->create_wall_timer(500ms, std::bind(&MinimalPublisher::timer_callback, this));}private:void timer_callback(){auto message = std_msgs::msg::String();message.data = "Hello, ROS2 from C++: " + std::to_string(count_++);RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "Publishing: '%s'", message.data.c_str());publisher_->publish(message);}rclcpp::TimerBase::SharedPtr timer_;rclcpp::Publisher<std_msgs::msg::String>::SharedPtr publisher_;size_t count_;
};int main(int argc, char * argv[])
{rclcpp::init(argc, argv);rcpp::spin(std::make_shared<MinimalPublisher>());rclcpp::shutdown();return 0;
}

6.2.3 订阅者代码（subscriber.cpp）

在 my_cpp_package/src/subscriber.cpp 中添加以下代码：

#include <memory>
#include <rclcpp/rclcpp.hpp>
#include <std_msgs/msg/string.hpp>class MinimalSubscriber : public rclcpp::Node
{
public:MinimalSubscriber(): Node("minimal_subscriber"){subscription_ = this->create_subscription<std_msgs::msg::String>("topic", 10, std::bind(&MinimalSubscriber::topic_callback, this, std::placeholders::_1));}private:void topic_callback(const std_msgs::msg::String::SharedPtr msg) const{RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "I heard: '%s'", msg->data.c_str());}rclcpp::Subscription<std_msgs::msg::String>::SharedPtr subscription_;
};int main(int argc, char * argv[])
{rclcpp::init(argc, argv);rclcpp::spin(std::make_shared<MinimalSubscriber>());rclcpp::shutdown();return 0;
}

6.2.4 配置包

编辑 my_cpp_package/CMakeLists.txt，添加以下内容以编译节点：

# 查找依赖
find_package(rclcpp REQUIRED)
find_package(std_msgs REQUIRED)# 添加可执行文件
add_executable(publisher src/publisher.cpp)
ament_target_dependencies(publisher rclcpp std_msgs)add_executable(subscriber src/subscriber.cpp)
ament_target_dependencies(subscriber rclcpp std_msgs)# 安装可执行文件
install(TARGETSpublishersubscriberDESTINATION lib/${PROJECT_NAME}
)# 安装其他文件（如果需要）
ament_package()

6.2.5 构建和运行