ROS2 快速上手：构建下一代机器人应用 – wiki基地

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文章标题：ROS2 快速上手：构建下一代机器人应用

I. 引言

在机器人技术飞速发展的今天，高效、可靠的软件开发框架成为了推动创新的关键。Robot Operating System 2 (ROS2) 正是这样一款为下一代机器人应用而设计的开源框架。它不仅继承了ROS1的强大功能，更在分布式、实时性、安全性和跨平台方面进行了全面升级，旨在满足工业级和研究级机器人系统的严苛需求。

本文将带领读者快速入门ROS2，从核心概念到环境搭建，再到第一个应用的开发，逐步揭示ROS2的魅力，助您开启构建智能机器人的旅程。

II. ROS2 核心概念

理解ROS2的核心概念是高效开发的基础。

  • 节点 (Nodes)：节点是ROS2中执行计算的最小单元。每个节点都是一个独立的进程，负责执行特定的任务（例如，读取传感器数据、控制电机、路径规划等）。节点之间通过ROS2的通信机制进行协作。

  • 话题 (Topics)：话题是ROS2中最常用的匿名发布/订阅通信机制。一个节点可以将消息发布到特定话题上，而另一个或多个节点可以订阅该话题以接收这些消息。这种松耦合的通信方式极大地提高了系统的模块化和灵活性。

  • 服务 (Services)：服务提供了一种同步的请求/响应通信模式。当一个节点（客户端）需要从另一个节点（服务端）获取一次性结果时，会发起服务请求，并等待服务端的响应。

  • 动作 (Actions)：动作是比服务更复杂的通信模式，用于处理长时间运行的任务。它允许客户端发送目标请求，服务端执行任务，并在此过程中提供周期性的反馈，同时客户端也可以取消正在执行的任务。

  • 参数 (Parameters)：参数允许节点在运行时动态地配置其行为。节点可以声明可配置的参数，并在需要时修改它们，而无需重新编译或重启节点。

  • 包 (Packages)：包是ROS2代码组织的基本单位，它将相关的节点、库、配置文件和资源文件等封装在一起。ROS2提供了工具来创建、构建和管理包。

  • DDS (Data Distribution Service)：DDS 是ROS2底层通信的核心。与ROS1使用TCP/IP不同，ROS2通过DDS实现节点间的发现、连接和数据传输。DDS支持多种质量服务 (QoS) 策略，确保了通信的实时性、可靠性和安全性。

III. 环境搭建

ROS2支持多种操作系统，但为了最佳体验和最广泛的社区支持，我们推荐在Ubuntu LTS版本上进行安装。

A. 系统要求
推荐使用 Ubuntu 22.04 LTS (Jammy Jellyfish) 作为操作系统，并选择 ROS2 Humble Hawksbill 版本，这是一个长期支持版本，具有良好的稳定性和社区支持。

B. 安装ROS2
以下是基于Ubuntu的快速安装步骤：

  1. 添加ROS2 apt仓库
    首先，设置你的系统，允许apt通过HTTPS获取软件包：
    bash
    sudo apt update && sudo apt install curl gnupg 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 $(source /etc/os-release && echo UBUNTU_CODENAME) main" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/ros2.list > /dev/null

  2. 安装桌面完整版
    更新apt缓存后，安装包含所有核心工具、库和可视化应用的桌面完整版：
    bash
    sudo apt update
    sudo apt install ros-humble-desktop
    如果您只需要基础环境，可以选择 ros-humble-ros-base。

C. 环境配置
每次打开新的终端时，您需要加载ROS2的环境脚本。为了方便起见，建议将其添加到您的 ~/.bashrc (或其他shell的配置文件) 中：
bash
echo "source /opt/ros/humble/setup.bash" >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc

D. 验证安装
安装完成后，您可以通过运行 turtlesim 演示来验证ROS2是否正确安装：
bash
ros2 run turtlesim turtlesim_node
ros2 run teleop_turtle teleop_turtle_node
如果看到一个小乌龟窗口，并且可以通过键盘控制它移动，那么恭喜您，ROS2环境已成功搭建！

IV. 第一个ROS2应用：发布者与订阅者

现在，让我们来创建一个简单的发布者和订阅者节点，体验ROS2的基本通信。

A. 创建工作空间
工作空间是组织ROS2包的目录。
bash
mkdir -p ~/ros2_ws/src
cd ~/ros2_ws

B. 创建ROS2包
我们将创建一个名为 my_robot_pkg 的Python包。
bash
cd ~/ros2_ws/src
ros2 pkg create --build-type ament_python my_robot_pkg

C. 编写发布者节点
在 ~/ros2_ws/src/my_robot_pkg/my_robot_pkg 目录下创建一个名为 publisher_node.py 的文件，并添加以下内容：
“`python
import rclpy
from rclpy.node import Node
from std_msgs.msg import String

class SimplePublisher(Node):
def init(self):
super().init(‘simple_publisher’)
self.publisher_ = self.create_publisher(String, ‘chatter’, 10)
timer_period = 0.5 # seconds
self.timer = self.create_timer(timer_period, self.timer_callback)
self.i = 0

def timer_callback(self):
    msg = String()
    msg.data = f'Hello ROS2 from Python: {self.i}'
    self.publisher_.publish(msg)
    self.get_logger().info(f'Publishing: "{msg.data}"')
    self.i += 1

def main(args=None):
rclpy.init(args=args)
simple_publisher = SimplePublisher()
rclpy.spin(simple_publisher)
simple_publisher.destroy_node()
rclpy.shutdown()

if name == ‘main‘:
main()
修改 `~/ros2_ws/src/my_robot_pkg/setup.py` 文件，在 `entry_points` 中添加：python
entry_points={
‘console_scripts’: [
‘publisher = my_robot_pkg.publisher_node:main’,
],
},
“`

D. 编写订阅者节点
在 ~/ros2_ws/src/my_robot_pkg/my_robot_pkg 目录下创建一个名为 subscriber_node.py 的文件，并添加以下内容：
“`python
import rclpy
from rclpy.node import Node
from std_msgs.msg import String

class SimpleSubscriber(Node):
def init(self):
super().init(‘simple_subscriber’)
self.subscription = self.create_subscription(
String,
‘chatter’,
self.listener_callback,
10)
self.subscription # prevent unused variable warning

def listener_callback(self, msg):
    self.get_logger().info(f'I heard: "{msg.data}"')

def main(args=None):
rclpy.init(args=args)
simple_subscriber = SimpleSubscriber()
rclpy.spin(simple_subscriber)
simple_subscriber.destroy_node()
rclpy.shutdown()

if name == ‘main‘:
main()
修改 `~/ros2_ws/src/my_robot_pkg/setup.py` 文件，在 `entry_points` 中添加：python
entry_points={
‘console_scripts’: [
‘publisher = my_robot_pkg.publisher_node:main’,
‘subscriber = my_robot_pkg.subscriber_node:main’, # Add this line
],
},
“`

E. 编译与运行

  1. 编译工作空间
    回到工作空间根目录并编译：
    bash
    cd ~/ros2_ws
    colcon build
    编译成功后，别忘了 source 一下工作空间的环境：
    bash
    source install/setup.bash
    此步骤在每次打开新终端并希望运行自定义ROS2包时都需要执行。

  2. 运行节点
    打开两个新的终端窗口，分别运行发布者和订阅者：

    终端 1 (发布者):
    bash
    cd ~/ros2_ws
    source install/setup.bash
    ros2 run my_robot_pkg publisher

    终端 2 (订阅者):
    bash
    cd ~/ros2_ws
    source install/setup.bash
    ros2 run my_robot_pkg subscriber
    您将在订阅者终端看到发布者发送的消息，这表明ROS2的发布/订阅通信机制正在正常工作。

V. 进阶主题

掌握了ROS2的基础后，您可以探索更多功能，构建更复杂的机器人应用。

  • 启动文件 (Launch Files)：对于包含多个节点和复杂配置的机器人系统，使用Python或XML编写的启动文件 (ros2 launch) 可以方便地一次性启动和管理所有组件。

  • 机器人模型与仿真 (Robot Models and Simulation)：结合URDF（统一机器人描述格式）定义机器人模型，并利用Gazebo等仿真环境进行开发和测试，可以在真实机器人部署前验证算法和行为。

  • 可视化工具 (Visualization Tools)：

    • RViz2：强大的3D可视化工具，用于显示机器人模型、传感器数据、路径规划等信息。
    • rqt_console：用于查看和过滤ROS2日志消息的图形界面工具。

  • 自定义接口 (Custom Interfaces)：当标准消息类型不足以满足需求时，您可以创建自定义的 .msg (消息) 和 .srv (服务) 文件来定义自己的数据结构。

  • ROS1 Bridge：如果您需要与现有的ROS1系统进行交互，ROS1 Bridge 提供了一个通信桥梁，允许ROS1和ROS2节点之间共享消息和服务。

  • 安全性与实时性 (Security and Real-time Capabilities)：ROS2在设计之初就考虑了安全和实时性。DDS层提供了加密、认证等安全机制，而其底层实时操作系统的支持则满足了对时间敏感型任务的需求。

VI. 总结与展望

ROS2作为下一代机器人操作系统，凭借其强大的分布式能力、出色的实时性、增强的安全性以及对多种平台和语言的支持，正在成为机器人开发领域的主流选择。它为从研究到工业应用的各类机器人项目提供了坚实的基础。

通过本文的学习，您应该已经掌握了ROS2的核心概念、环境搭建方法以及如何构建第一个ROS2应用。随着您对ROS2的深入探索，将会发现其在构建高度复杂和智能化的机器人系统方面的巨大潜力。加入ROS2社区，共同推动机器人技术的未来！

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