硬件可以类比成饭店各个干活的员工，ROS2 就是那个管消息分发、任务派发、协调所有人干活的总调度，让一堆零散硬件 / 算法模块能够互相配合，变成完整能干活的机器人。

ROS2 框架是实现机器人不同部件之间通信的“基础架构”。它包括消息传递、标准接口，以及对多种编程语言和平台的支持。在使用 ROS2 开发或维护应用程序之前，需要先了解框架的基本概念。

ROS2 提供了一套 turtlesim 工具用于快速入门，通过终端调用即可完成简易 demo，这个 CLI 就是终端的意思。

1 使用 turtlesim 小海龟和 rqt

turtlesim 小海龟这玩意儿基本上可以说是贯穿了 ROS2 的学习了。ROS2 提供的这个小海龟其实就是可以将它视为虚拟的仿真的机器人，在一个简单的 2D 可视化仿真界面学习 ROS2。

rqt 是 ROS2 提供的一个图形化用户交互工具，rqt 可以做所有终端能做的事，而且提供了友好的用户交互界面。

1.1 安装 turtlesim 和 rqt

sudo apt update
sudo apt install ros-humble-turtlesim ros-humble-rqt ros-humble-rqt-common-plugins

安装完成后在终端输入 ros2 pkg executables turtlesim，输出以下内容说明小海龟安装成功。

输入 rqt 可以出现一个图形化界面说明 rqt 安装成功。

1.2 启动小海龟

通过 ros2 run turtlesim turtlesim_node​指令启动小海龟，小海龟的颜色是随机生成的， 每一次启动都不一样。

1.3 控制小海龟

ros2 提供了一个键盘工具，可以通过键盘来控制小海龟的移动。再打开一个终端，输入这个指令就行

ros2 run turtlesim turtle_teleop_key​

鼠标点击新开的这个控制的终端，使其保持在最上层，通过键盘的上下左右就可以控制小海龟的移动和方向了

那么，玩这个小海龟有什么意义呢？不妨想想，明明是开了两个不同的终端，为什么在新开的这个终端输入上下左右就可以控制小海龟移动？这里就可以引出 ROS2 的核心概念：node 节点、topic 话题、service 服务以及 action 动作的几大知识点了。

再打开一个终端，输入以下指令可以分别查看都有哪些相关的信息：

ros2 node list
ros2 topic list
ros2 service list
ros2 action list

  • node：可以看到只有 2 个，对应的就是刚才通过两个终端指令启动的 node 节点，一个是小海龟，另一个是监听键盘输入的节点。

  • topic：可以看到 /turtle1 开启了 3 个话题，另外 2 个话题先不管

  • service：可以看到有大量的服务

  • action：可以看到小海龟有一个动作

上面这些内容现在还不需要深入了解，只要知道通过终端开启了这个小海龟，就默默帮我们在后台启动了这么多的节点、话题、服务、动作等内容。

1.4 使用 rqt 操作

前面提到过，rqt 就是方便使用的一套可视化工具，集成了所有的终端指令工具，相当于一台上位机程序。在新建终端中输入 rqt 启动工具，但是启动后会看到其实没有内容，这时候需要选择 Plugins > Services > Service Caller 会开启一个 service caller 界面，可以选择各种服务，点击右侧的 call 即可进行服务的调用。

service 选择 /clear，点击一下 call 调用，会发现小海龟之前行走的路径被清除了，下方还有返回的结果

例如将 service 切换到 /spawn，可以在 request 中配置相关的参数，点击 call 调用，就会发现生成了一个新的小海龟。

这些服务对应的就是前面 ros2 service list 中罗列出来的所有服务，可以再试试调用别的服务来玩玩，加深对于 service 的理解。

所以目前可看出，服务相当于是一个函数，给这个服务提供指定的参数就可以实现相应的功能。

2 ROS2 的主要通信组件

2.1 节点 Node

在 ROS 中，每个节点都负责一个单一的模块化的功能。类比饭店的例子，后厨就是一个 node 节点，主要负责炒菜；前台也是一个 node 节点，主要负责引导。对应到机器人中，控制车轮电机的任务可以视为是一个节点，发布激光传感器数据的任务可以视为一个节点。 我的理解是，节点不是对应某一个硬件设备，而应该是对应一项任务，但是也许既可以对应一项任务，也可以对应一个具体的硬件设备，好像没有人对节点应该对应什么有一个明确的定义，或许需要有经验的人来做个总结吧。

每个 node 节点都可以使用 topic、service、action 进行通信，下图就能很好地描述这个过程。右上角这个 node 作为一个 publisher 可以将 message 发送到 topic，再转发给所有订阅了这个 topic 的 subscriber。

Nodes-TopicandService

还是看之前小海龟的例子，通过 ros2 run turtlesim turtlesim_node 启动小海龟

  • ros2 run <package_name> <executable_name>

    使用 ros2 run 指令，输入对应的 包名 和 可执行命令 的名称，就可以执行相关的功能，关于小海龟这玩意，turtlesim 就是小海龟这个包名，turtlesim_node 就是这个包提供的一个可行性的命令。

  • 再新建一个终端输入 ros2 node list​，可以看到一个 /turtlesim 的 node 节点

  • ros2 node info <node_name>

    该指令可以查看节点的详细信息，例如输入 ros2 node info /turtlesim，可以看到这个节点有 subscribers、publishers、service servers、service clients、action clients 等内容。这些都是对应这个节点所包含的 topic 话题、service 服务与 action 动作的配置情况。

2.2 话题 topic

ROS 2 将复杂系统分解为许多模块化节点，topic 话题充当节点之间交换消息的总线。

Topic-MultiplePublisherandMultipleSubscriber1-20260819081917-wtjv3wf

从图中可以很直观看出，一个节点可以作为发布者也可以作为订阅者，发布者和订阅者都关注了某个话题，发布者可以在话题上推送消息，推送的消息会被发送给所有订阅者。

我感觉这个图只是做了简化，实际上一个节点既可以是发布者也可以是订阅者，也可以同时关注非常多的话题。其实这个话题相当于是一个微信公众号，这样就好理解了。

看看小海龟里面的话题订阅情况，启动小海龟 ros2 run turtlesim turtlesim_node​，启动键盘监听事件：ros2 run turtlesim turtle_teleop_key。

通过 ros2 topic list 可以看到当前启动的话题：

使用 rqt_graph 可以直接看到话题的订阅情况：

椭圆是一个 node 节点，单独一个矩形就是对应一个 topic 话题，话题外层套了一层命名空间 /turtle1 将话题包起来，用于和其他可能出现的同名的话题做区分。

不过 /turtle1/cmd_vel 我理解，是控制小海龟移动的话题，为啥 color_sensor 还有 pose 的话题怎么就没出现呢？反而多了什么 rotate_absolute。不管了。

  • topic 话题的一些 CLI 指令的使用

    • 话题传输的消息类型

      ros2 topic list -t​ 在列举话题列表的时候加入 -t 参数就行

      $ ros2 topic list -t
/parameter_events [rcl_interfaces/msg/ParameterEvent]
/rosout [rcl_interfaces/msg/Log]
/turtle1/cmd_vel [geometry_msgs/msg/Twist]
/turtle1/color_sensor [turtlesim/msg/Color]
/turtle1/pose [turtlesim/msg/Pose]

    • 订阅话题，获取实时数据

      ros2 topic echo <topic_name>

      例如想看键盘实时输入的数据，那就 ros2 topic echo /turtle1/cmd_vel

    • 查看话题信息

      ros2 topic info <topic_name>

      例如：ros2 topic info /turtle1/cmd_vel，输出的内容就是这个话题的消息类型、发布者数量、订阅者数量

      Type: geometry_msgs/msg/Twist
Publisher count: 1
Subscription count: 1

      如果要看更加详细的信息，加上一个 --verbose​（这个 --verbose​在很多 Linux 指令中都是代表详细信息的意思，verbose 实际上是冗长的意思），输入 ros2 topic info /turtle1/cmd_vel --verbose，输出结果如下：

      Type: geometry_msgs/msg/Twist

Publisher count: 1

Node name: teleop_turtle
Node namespace: /
Topic type: geometry_msgs/msg/Twist
Endpoint type: PUBLISHER
GID: 01.0f.27.28.e5.1e.9c.88.00.00.00.00.00.00.12.03.00.00.00.00.00.00.00.00
QoS profile:
  Reliability: RELIABLE
  History (Depth): UNKNOWN
  Durability: VOLATILE
  Lifespan: Infinite
  Deadline: Infinite
  Liveliness: AUTOMATIC
  Liveliness lease duration: Infinite

Subscription count: 1

Node name: turtlesim
Node namespace: /
Topic type: geometry_msgs/msg/Twist
Endpoint type: SUBSCRIPTION
GID: 01.0f.27.28.98.1e.90.0f.00.00.00.00.00.00.1b.04.00.00.00.00.00.00.00.00
QoS profile:
  Reliability: RELIABLE
  History (Depth): UNKNOWN
  Durability: VOLATILE
  Lifespan: Infinite
  Deadline: Infinite
  Liveliness: AUTOMATIC
  Liveliness lease duration: Infinite

      这里面信息量很多，都会在后续慢慢学到，简单了解一下即可。

    • 消息的具体数据类型

      前面虽然是列出了消息的数据类型，但是还是很抽象怎么办？geometry_msgs/msg/Twist 谁能看得懂？

      所以可以通过一个查看接口信息的指令来了解数据类型：

      ros2 interface show geometry_msgs/msg/Twist

      输出内容如下：

      # This expresses velocity in free space broken into its linear and angular parts.

Vector3  linear
	float64 x
	float64 y
	float64 z
Vector3  angular
	float64 x
	float64 y
	float64 z

      这也是为什么在 ros2 topic echo /turtle1/cmd_vel 的时候返回的数据类型是那样的了

    • 在话题发布消息

      ros2 topic pub <topic_name> <msg_type> '<args>'

      前面知道了话题，也知道了话题传输的消息的数据类型，那么通过 pub 就可以往话题发送消息，例如：

      ros2 topic pub /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/msg/Twist "{linear: {x: 2.0, y: 0.0, z: 0.0}, angular: {x: 0.0, y: 0.0, z: 1.8}}"

      上面的指令会一直往话题发送消息，默认是 1Hz​的频率，如果只想发送一下，只要加一个 --once 的参数即可。

    • 监听话题消息频率

      ros2 topic hz <topic_name>

      该指令可以监听话题的消息的频率，最短间隔多长时间、最长间隔多长时间。

    • 话题数据带宽

      ros2 topic bw <topic_name>

      返回话题消息的带宽，现在传的都是较短的数据，如果后续需要传输图像、视频数据，那就很有意义，可以看出有多少的带宽了。

    • 根据话题类型查找话题

      ros2 topic find <topic_type>

      可以罗列出用到了这个消息类型的话题。不过不知道可能什么时候能用到。

2.3 服务 service

service​服务是 ROS 节点之间的另一种通信方式。服务采用请求‑应答模型，这与话题的发布‑订阅模型有所区别。话题允许节点订阅数据流并持续获取更新，而服务仅在被客户端显式调用时才提供数据。简而言之就是，可以多对多连接，但是通信时候是一对一的，且有请求才有相应。

Service-MultipleServiceClient

类似的，service 也有和 topic 类似的 CLI 指令，如：

ros2 service list					# 列举运行的服务
ros2 service type <service_name>	# 某个服务的消息类型
ros2 service list -t				# 列举运行的服务，并显示数据类型
ros2 service find <type_name>		# 根据服务数据类型找到服务
ros2 interface show <type_name>		# 查看服务数据类型的详细信息

不同于 topic，service 要使用的时候是通过调用的方式：

ros2 service call <service_name> <service_type> <arguments>
ros2 service call /clear std_srvs/srv/Empty

这个指令和 1.4 使用 rqt 操作 提到的使用可视化界面发送的 /clear 指令是一样的效果。

2.4 参数 parameter

参数是节点的配置值，可以把参数理解为节点的设置项。节点可以将参数存储为整数、浮点数、布尔值、字符串以及列表。在 ROS 2 中，每个节点维护属于自己的一套参数。

ros2 param list									# 查看有哪些参数
ros2 param get <node_name> <parameter_name>		# 获取某个节点的参数值
ros2 param set <node_name> <parameter_name> <value>		# 给某个节点设置参数值
ros2 param dump <node_name>						# 将某个节点的参数打印出来，结合 >> xxx.yaml 可以输出到文件
ros2 param load <node_name> <parameter_file>	# 给节点加载参数

# 节点启动的时候加载参数值
ros2 run <package_name> <executable_name> --ros-args --params-file <file_name>

2.5 动作 action

动作（Actions）是 ROS 2 中的一种通信类型，专门用于处理长时间运行的任务。动作由三部分组成：目标（goal）、反馈（feedback）和结果（result） 。这三个部分需要牢记，后续编写程序也会用到。

目标（goal）：某个动作的目标

反馈（feedback）：动作执行过程中的反馈值

结果（result）：动作执行完成后返回的结果

动作基于话题与服务实现。它的功能和服务类似，但动作支持取消任务；同时动作可以持续输出反馈，而服务仅返回单次应答。Action 动作实际上就是用 topic 和 service 拼出来，因为该功能比较常用，所以 ROS 专门封装了 Action 这套机制如果要手动来实现对应的功能也行，但是有点重复造轮子，不提倡了。

动作采用客户端‑服务器模型，和发布‑订阅模型有相似之处。动作客户端节点向动作服务端节点发送目标；动作服务端接收确认目标后，会持续返回反馈数据流，最后给出最终结果。

Action-SingleActionClient

在小海龟的例子中，通过 ros2 action list​可以看到系统当前正在运行的 action 动作，根据名称可以看出这是一个旋转的案例，通过前面查看节点信息的指令查看小海龟 /turtlesim​的相关节点 ros2 node info /tutlesim 可以看到启动了一个 action 服务器

在 /teleop_turtle​节点中，可以看到是一个 action 的客户端

也就是说，二者之间是通过这个 /turtle1/rotate_absolute 的 action 来进行通信的

看看其数据类型 ros2 interface show turtlesim/action/RotateAbsolute​，可以看到返回了三个参数，用 2 个 --- 分隔符分开，这些参数从上到下依次是：goal、feedback、result。

  • 同样的，这个 action 也是有类似 topic、serve 相似的指令操作

    ros2 action list			# ros2 中的所有 action
ros2 action list -t			# ros2 中的所有 action，并显示数据类型
ros2 action info			# 查看ros2的详细信息

  • action 的相关操作

    • 往 goal 发送数据

      ros2 action send_goal <action_name> <action_type> <values>

      例如要让小海龟旋转到方向向右，输入的值即为 0。这个 theta 的值是弧度，弧度 0 的时候就是朝向 x 轴方向。

      ros2 action send_goal /turtle1/rotate_absolute turtlesim/action/RotateAbsolute "{theta: 0}"

      输入指令可以看到小海龟旋转，并返回旋转之后的最终朝向

3 ROS2 中的日志功能

ros2 中提供了 rqt_console 的 GUI 工具，用于查看有关系统运行状况的信息。借助 rqt_console，你可以持续收集这些消息，以更规整的方式仔细查看、过滤消息，保存消息，甚至重新加载已保存的文件，在其他时间进行分析。

在小海龟中，如果小海龟移动撞墙了，就会有大量的警告，而使用 rqt_console 就可以可视化显示这些警告信息。

执行以下指令：ros2 topic pub -r 1 /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/msg/Twist "{linear: {x: 2.0, y: 0.0, z: 0.0}, angular: {x: 0.0,y: 0.0,z: 0.0}}"

当小海龟撞墙以后，可以看到弹出非常多的 Warn，这就是日志中的警告功能。

但是实际上运行小海龟的终端一样会输出警告的日志，只是更少一点：

日志分为 5 个等级，根据不同的需求使用日志：

  1. Fatal（致命）消息：表示系统即将终止运行，力求保护自身免受损害。
  2. Error（错误）消息：代表严重问题，这类问题不一定会损坏系统，但会阻碍系统正常工作。
  3. Warn（警告）消息：提示出现异常行为或非理想结果，背后可能存在更深层问题，但不会直接破坏功能。
  4. Info（信息）消息：记录事件与状态更新，用于直观确认系统按预期运行。
  5. Debug（调试）消息：详细输出系统执行完整的分步过程。

可以通过配置 --log-level​来修改日志的等级，执行以下指令将把日志的输出等级修改到 WARN 等级，也就是说，只有 Warn、Error、Fatal 三个等级被使用。

ros2 run turtlesim turtlesim_node --ros-args --log-level WARN

4 使用 launch 文件

在大多数教程中，每运行一个新节点，你都要打开一个新终端。当你构建愈发复杂的系统，需要同时运行大量节点时，反复打开终端、重新输入配置信息就会变得十分繁琐。

启动文件（launch file）可以同时启动并配置多个包含 ROS 2 节点的可执行程序。

例如：ros2 launch turtlesim multisim.launch.py，这是 ROS 的演示样例，该指令将同时启动两个小海龟

launch​主要是使用 launch​文件进行配置的，这个 multisim.launch.py 文件的内容如下：

from launch import LaunchDescription
import launch_ros.actions


def generate_launch_description():
    return LaunchDescription([
        launch_ros.actions.Node(
            namespace='turtlesim1', package='turtlesim',
            executable='turtlesim_node', output='screen'),
        launch_ros.actions.Node(
            namespace='turtlesim2', package='turtlesim',
            executable='turtlesim_node', output='screen'),
    ])

先不管这个代码，知道可以通过代码来控制 launch 文件来启动多个节点就行了。

5 数据记录和数据回放

​ros2 bag​ 是一款命令行工具，用于记录系统中各个话题上发布的数据。它收集任意数量话题传输的数据，并将其保存到数据库中。之后你可以回放这些数据，复现测试与实验结果。记录话题数据也非常适合用于分享你的工作，方便其他人复现你的实验。

用法：

  • 记录指定话题的数据

    • ros2 bag record <topic_name>
    • 将在终端当前所在目录下，记录指定话题的产生的数据

  • 同时记录多个话题的数据

    • ros2 bag record -o <记录文件名称> <topic1_name> <topic2_name>

  • 查看记录的话题的数据

    • ros2 bag info <bag_file_name>

  • 复现所记录的话题

    • ros2 bag play subset

6 参考文献

  1. Beginner: CLI tools — ROS 2 Documentation: Humble documentation

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