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ROS2 机器人入门到实战_ros2教程

网友: 技术文档 2025-07-30 12:02:52

ROS2（Robot Operating System 2）是一个开源的机器人中间件框架，提供了许多工具、库和驱动程序，能够帮助开发者快速构建复杂的机器人系统。ROS2 是 ROS1 的继任者，具有更高的实时性、安全性和更好的支持分布式系统。

本文将从 ROS2 的基础概念入手，带你一步步走向实际应用，并通过代码示例介绍如何使用 ROS2 开发机器人程序，覆盖主题包括 ROS2 环境搭建、基础通信、机器人控制、传感器数据处理等。

一、ROS2 环境搭建

在开始编写 ROS2 代码之前，首先需要在本地机器上搭建 ROS2 环境。本文以 ROS2 Humble 版本为例，适用于 Ubuntu 22.04。

1. 安装 ROS2 Humble
  • 步骤1：设置仓库源
sudo apt update && sudo apt upgrade -ysudo apt install curl gnupg2 lsb-releasecurl -sSL https://raw.githubusercontent.com/ros/rosdistro/master/ros.key | sudo tee /etc/apt/trusted.gpg.d/ros.ascsudo sh -c \'echo \"deb [arch=amd64] http://packages.ros.org/ros2/ubuntu $(lsb_release -sc) main\" > /etc/apt/sources.list.d/ros2-latest.list\'
  • 步骤2：安装 ROS2 基础版本
sudo apt updatesudo apt install ros-humble-desktop
  • 步骤3：配置环境变量
source /opt/ros/humble/setup.bash

可以将其加入到 ~/.bashrc 文件中，这样每次打开终端时自动加载环境变量。

echo \"source /opt/ros/humble/setup.bash\" >> ~/.bashrcsource ~/.bashrc
  • 步骤4：安装 ROS2 工具
sudo apt install python3-colcon-common-extensions

二、创建 ROS2 工作空间

工作空间是 ROS2 的基础组织结构，所有的包和节点都保存在工作空间中。

1. 创建 ROS2 工作空间
mkdir -p ~/ros2_ws/srccd ~/ros2_wscolcon buildsource install/setup.bash
2. 创建 ROS2 包
cd ~/ros2_ws/srcros2 pkg create my_robot_package --build-type ament_cmake

这将创建一个名为 my_robot_package 的包，使用 ament_cmake 作为构建工具。你可以根据需要选择其他构建类型，如 ament_python。

三、ROS2 通信机制：Publisher 和 Subscriber

ROS2 使用发布-订阅机制（Publisher-Subscriber）进行节点之间的通信。一个节点发布数据，其他节点订阅并处理数据。

1. 创建 Publisher 节点
// my_robot_package/src/publisher_node.cpp#include \"rclcpp/rclcpp.hpp\"#include \"std_msgs/msg/string.hpp\"class PublisherNode : public rclcpp::Node{public: PublisherNode() : Node(\"publisher_node\") { publisher_ = this->create_publisher<std_msgs::msg::String>(\"chatter\", 10); timer_ = this->create_wall_timer( std::chrono::seconds(1), std::bind(&PublisherNode::timer_callback, this)); }private: void timer_callback() { auto message = std_msgs::msg::String(); message.data = \"Hello, ROS2!\"; RCLCPP_INFO(this->get_logger(), \"Publishing: \'%s\'\", message.data.c_str()); publisher_->publish(message); } rclcpp::Publisher<std_msgs::msg::String>::SharedPtr publisher_; rclcpp::TimerBase::SharedPtr timer_;};int main(int argc, char **argv){ rclcpp::init(argc, argv); rclcpp::spin(std::make_shared<PublisherNode>()); rclcpp::shutdown(); return 0;}
  • 在该代码中，PublisherNode 每秒发布一次 \"Hello, ROS2!\" 字符串消息。
2. 创建 Subscriber 节点
// my_robot_package/src/subscriber_node.cpp#include \"rclcpp/rclcpp.hpp\"#include \"std_msgs/msg/string.hpp\"class SubscriberNode : public rclcpp::Node{public: SubscriberNode() : Node(\"subscriber_node\") { subscription_ = this->create_subscription<std_msgs::msg::String>( \"chatter\", 10, std::bind(&SubscriberNode::topic_callback, this, std::placeholders::_1)); }private: void topic_callback(const std_msgs::msg::String::SharedPtr msg) { RCLCPP_INFO(this->get_logger(), \"Received: \'%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<SubscriberNode>()); rclcpp::shutdown(); return 0;}
  • 该 SubscriberNode 节点会订阅 chatter 话题，并打印接收到的消息。
3. 编译和运行
  • 编译代码
cd ~/ros2_wscolcon buildsource install/setup.bash
  • 运行 Publisher 节点
ros2 run my_robot_package publisher_node
  • 运行 Subscriber 节点
ros2 run my_robot_package subscriber_node

此时，subscriber_node 会收到 publisher_node 发布的 \"Hello, ROS2!\" 消息，并在终端打印。

四、机器人控制：使用服务 (Service) 和客户端 (Client)

ROS2 还支持通过服务 (Service) 和客户端 (Client) 进行同步通信。

1. 创建 Service 节点
// my_robot_package/src/service_node.cpp#include \"rclcpp/rclcpp.hpp\"#include \"std_srvs/srv/empty.hpp\"class ServiceNode : public rclcpp::Node{public: ServiceNode() : Node(\"service_node\") { service_ = this->create_service<std_srvs::srv::Empty>(\"clear\", std::bind(&ServiceNode::handle_service, this, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2)); }private: void handle_service(const std::shared_ptr<rmw_request_id_t> request_header, const std::shared_ptr<std_srvs::srv::Empty::Request> request, const std::shared_ptr<std_srvs::srv::Empty::Response> response) { RCLCPP_INFO(this->get_logger(), \"Service request received\"); } rclcpp::Service<std_srvs::srv::Empty>::SharedPtr service_;};int main(int argc, char **argv){ rclcpp::init(argc, argv); rclcpp::spin(std::make_shared<ServiceNode>()); rclcpp::shutdown(); return 0;}
  • 该服务节点提供一个名为 clear 的服务，客户端可以向它发送请求。
2. 创建 Client 节点
// my_robot_package/src/client_node.cpp#include \"rclcpp/rclcpp.hpp\"#include \"std_srvs/srv/empty.hpp\"class ClientNode : public rclcpp::Node{public: ClientNode() : Node(\"client_node\") { client_ = this->create_client<std_srvs::srv::Empty>(\"clear\"); while (!client_->wait_for_service(std::chrono::seconds(1))) { if (!rclcpp::ok()) { RCLCPP_ERROR(this->get_logger(), \"Interrupted while waiting for service.\"); return; } RCLCPP_INFO(this->get_logger(), \"Waiting for service to be available...\"); } auto request = std::make_shared<std_srvs::srv::Empty::Request>(); auto future = client_->async_send_request(request); if (future.wait_for(std::chrono::seconds(1)) == std::future_status::ready) { RCLCPP_INFO(this->get_logger(), \"Service call successful\"); } }private: rclcpp::Client<std_srvs::srv::Empty>::SharedPtr client_;};int main(int argc, char **argv){ rclcpp::init(argc, argv); rclcpp::spin(std::make_shared<ClientNode>()); rclcpp::shutdown(); return 0;}
  • 该客户端节点向名为 clear 的服务发送请求，并等待服务的响应。
3. 编译和运行
cd ~/ros2_wscolcon buildsource install/setup.bash
  • 运行 Service 节点
ros2 run my_robot_package service_node
  • 运行 Client 节点
ros2 run my_robot_package client_node

五、总结

通过本教程，我们学习了如何从 ROS2 的

基础搭建开始，逐步进行 ROS2 节点的创建与通信，包括 Publisher-Subscriber 机制以及 Service-Client 机制。同时，我们也展示了如何控制机器人进行简单的任务。

在实际开发中，你可以通过 ROS2 与各种传感器、执行器等硬件设备进行交互，并构建更复杂的机器人系统。接下来，可以进一步学习如何处理机器人传感器数据（如图像、激光雷达数据等）以及如何进行路径规划、控制算法等高级功能。

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