ROS 2 机器人开发指南

本章目标

掌握 ROS 2 在机器人项目中的核心概念和实践模式，走通从仿真到真机部署的完整流程。

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1. DDS 基础

ROS 2 的核心通信层基于 DDS，这是与 ROS 1 最大的架构变化。

DDS 带来的好处

• 去中心化：无 Master 节点，每个节点平等
• 自动发现：节点加入网络后自动互相发现
• QoS 可配置：每个 Topic 独立策略

常用 DDS 实现

实现	供应商	适用场景
Fast DDS	eProsima	ROS 2 默认，通用
Cyclone DDS	Eclipse	嵌入式 + 云端混合
RTI Connext	RTI	安全认证（需要许可证）

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2. ROS 2 核心概念图谱

工作空间 (workspace)
  └── 包 (package)
       ├── 节点 (node)         ← 最小执行单元
       ├── 话题 (topic)        ← 发布/订阅通信
       ├── 服务 (service)      ← 同步请求/响应
       ├── 动作 (action)       ← 异步长任务
       └── 参数 (parameter)    ← 运行时配置

Launch 文件 → 批量启动节点 + 参数配置
URDF/Xacro → 机器人模型描述
TF2       → 坐标系变换

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3. 典型机器人软件架构

感知层 (Perception)
  ├── /camera/image_raw       (摄像头)
  ├── /lidar/scan             (激光雷达)
  └── /imu/data               (IMU)

决策层 (Planning)
  ├── /local_planner          (局部路径规划)
  ├── /global_planner         (全局路径规划)
  └── /behavior_tree          (行为树)

控制层 (Control)
  ├── /cmd_vel                 (速度指令)
  └── /motor_controller       (电机驱动)

状态层 (State)
  ├── /odom                    (里程计)
  └── /joint_states            (关节状态)

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4. Gazebo 仿真集成

<!-- launch/sim.launch.py 核心结构 -->
<launch>
    <!-- 启动 Gazebo -->
    <include file="$(find-pkg-share gazebo_ros)/launch/gazebo.launch.py"/>

    <!-- 生成机器人模型 -->
    <node pkg="gazebo_ros" exec="spawn_entity.py"
          args="-entity my_robot -file $(find-pkg-share my_robot)/urdf/robot.urdf"/>

    <!-- 启动控制器 -->
    <node pkg="controller_manager" exec="ros2_control_node"/>
</launch>

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5. 调试工具

# 查看系统拓扑
rqt_graph

# 查看话题数据
ros2 topic echo /cmd_vel
ros2 topic hz /scan     # 话题频率

# 查看节点信息
ros2 node info /controller

# 录制与回放
ros2 bag record -a       # 录制所有
ros2 bag play bag_name/  # 回放

# 参数操作
ros2 param list
ros2 param set /node param value

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6. 真机部署注意事项

关注点	建议
网络	工控机 + 开发机同一子网，关闭防火墙
实时性	控制循环用 RT kernel 或 Xenomai
启动	systemd service 自动启动 ros2 launch
日志	ros2 run --log-level DEBUG 调试时
资源	用 htop 监控 CPU/内存，节点太多考虑合并

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思考题

1. 为什么 ROS 2 选择 DDS 而不是继续用 TCPROS？
2. Action 的回调函数在哪个线程执行？
3. 如何设计一个多机器人的 ROS 2 系统？