ROS2简介

ROS = 通信机制 + 开发工具+ 应用功能 + 生态系统，目的是设计一套标准的机器人平台和其中的软件，提高机器人软件复用率，不要重复造轮子，高效开发机器人。ROS1 针对的是有工作站级别运算平台、以有线连接为主保证网络连接、成本高昂的实验室机器人。与之相反的需求（在资源有限的嵌入式平台运行、在有干扰的地方保证通信可靠性、做成产品走向市场）便是 ROS1 面临的问题，类似问题的涌现致使 ROS2 诞生。ROS2 面向的需求有：多机器人系统、跨平台、实时性、网络连接安全可靠、产品化、设计开发调试测试部署等全流程的项目管理，整个框架尽量保留了 ROS1 中的概念以便于迁移。

工作空间

ROS 系统中一个典型的工作空间结构如图所示，dev_ws 为工作空间的根目录，其中包含四个子空间

• src：代码空间，未来编写的代码、脚本，都需要人为的放置到这里；
• build：编译空间，保存编译过程中产生的中间文件；
• install：安装空间，放置编译得到的可执行文件和脚本；
• log：日志空间，编译和运行过程中，保存各种警告、错误、信息等日志。

绝大部分操作都是在 src 中进行的，编译成功后，就会执行 install 里边的结果，build 和 log 两个文件夹用的很少。

拉取工作空间后，要进行依赖配置

rosdepc install -i --from-path src --rosdistro humble -y

功能包

不同功能的代码划分到不同的功能包中

在 src 目录下创建功能包

ros2 pkg create --build-type ament_cmake c++_package_name # 创建C++包
ros2 pkg create --build-type ament_python python_package_name # 创建python包

C++功能包中，package.xml 包含功能包的版权描述、依赖声明；CMakeLists.txt 包含编译规则。Python 功能包中，package.xml 包含功能包的版权描述、依赖声明；setup.py 中包含 entry_points 配置的程序入口

节点

节点是机器人的工作细胞，负责执行具体任务，是可独立运行的可执行文件，得到这个可执行文件的编程语言多种多样，ROS2 中一般使用 C++和 Python。节点可以是分布式的，即运行在不同计算机上，每个节点命名唯一。实现一个节点的流程：编程接口初始化、创建节点并初始化、实现节点功能、销毁节点并关闭接口。

通信机制

通信模型有话题、服务、动作三种通信机制

话题：节点不是孤立的，通过话题来联系，话题是节点间传递数据的桥梁。话题的实现使用基于 DDS 的发布/订阅模型。发送数据的对象称之为发布者，接收数据的对象称之为订阅者，每一个话题都需要有一个名字，传输的数据也需要有固定的数据类型。话题使用.msg 文件定义。

• 发布者和订阅者的数量并不是唯一的，可以称之为是多对多的通信模型。
• 话题通信是异步的，适合用于一些周期发布的数据，比如传感器的数据，运动控制的指令等等
• 话题通信数据的描述格式称之为消息，对应编程语言中数据结构的概念。消息是 ROS 中的一种接口定义方式，与编程语言无关，我们也可以通过.msg 后缀的文件自行定义。
• 话题通信是单向的
• 实现一个发布者的流程：编程接口初始化、创建节点并初始化、创建发布者对象、创建并填充话题消息、发布话题消息、销毁节点并关闭接口
• 实现一个订阅者的流程：编程接口初始化、创建节点并初始化、创建订阅者对象、回调函数处理话题数据、销毁节点并关闭接口。

服务：从服务的实现机制上来看，这种你问我答的形式叫做客户端/服务器模型，简称为 CS 模型，客户端在需要某些数据的时候，针对某个具体的服务，发送请求信息，服务器端收到请求之后，就会进行处理并反馈应答信息。适合一问一答，同步性要求更高的数据。服务使用的是.srv 文件定义。

• 在服务通信中，客户端可以通过接收到的应答信息，判断服务器端的状态，我们也称之为同步通信。
• 服务器端唯一，但客户端可以不唯一。
• 数据分为请求的数据和反馈的数据。
• 实现一个客户端的流程：编程接口初始化、创建节点并初始化、创建客户端对象、创建并发送请求数据、等待服务器端应答数据、销毁节点并关闭接口

动作：动作也使用客户端/服务端模型，用户发送动作目标，服务端执行动作，同时周期反馈执行中的状态。动作是一种应用层的通信机制，基于话题和服务实现。动作的三个通信模块，有两个是服务，一个是话题，当客户端发送运动目标时，使用的是服务的请求调用，服务器端也会反馈一个应答，表示收到命令。动作的反馈过程，其实就是一个话题的周期发布，服务器端是发布者，客户端是订阅者。

• 动作通信可以有多个客户端，只有一个服务端
• 因为反馈，动作机制也是一种同步通信机制

通信接口

接口（Interfaces）给数据定义一个标准的结构，ROS 的接口和编程语言无关，这些定义在编译时会自动对应到具体编程语言中的数据结构

• 话题通信接口的定义使用的是.msg 文件，由于是单向传输，只需要描述传输的每一帧数据是什么就行，比如在这个定义里，会传输两个 32 位的整型数，x、y，我们可以用来传输二维坐标的数值。
• 服务通信接口的定义使用的是.srv 文件，包含请求和应答两部分定义，通过中间的“—”区分，比如加法求和功能，请求数据是两个 64 位整型数 a 和 b，应答是求和的结果 sum。
• 动作是另外一种通信机制，用来描述机器人的一个运动过程，使用.action 文件定义，比如让小海龟转 90 度，一边转一边周期反馈当前的状态，此时接口的定义分成了三个部分，分别是动作的目标，比如是开始运动，运动的结果，最终旋转的 90 度是否完成，还有一个周期反馈，比如每隔 1s 反馈一下当前转到第 10 度、20 度还是 30 度了，让我们知道运动的进度。

自定义通讯接口需要在 CMakeLists.txt（或 setup.py 和 setup.cfg）和 package.xml 中添加对应规则，使用 rosidl（interface definition language），根据自定义接口生成对应的代码

参数

参数是 ROS2 系统中的全局字典，即所有节点可访问的键值对，可编写程序声明、创建、修改参数的值，也可用 yaml 文件配合 dump 命令保存节点中的参数和 load 命令加载参数。

参考资料

动手学ROS2

ROS2文档