ROS 入门第二讲：通信机制与工作空间

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2025-10-31

ROS 包索引主页访问：https://index.ros.org/

一、ROS 生态系统概览

组件	说明
发行版（Distribution）	Kinetic、Melodic、Noetic，每个版本对应特定 Ubuntu 版本
软件源（Repositories）	官方与社区维护的功能包集合，通过 `apt` 安装
ROS Wiki	官方文档中心（wiki.ros.org），包含教程、API、功能包说明

二、ROS 核心架构

1. 节点（Node）——执行单元

是执行具体任务的独立进程（可执行文件）
可使用不同编程语言（C++、Python 等）编写
支持分布式部署：多个节点可运行在不同主机上
节点名称在系统中必须唯一

例如turtlesim_node 是一个可视化仿真节点，turtle_teleop_key 是键盘控制节点。

2. ROS Master —— 控制中心

提供命名与注册服务，是节点通信的“中介”
核心功能：
- 跟踪所有活跃节点
- 记录话题（Topic）与服务（Service）的发布/订阅关系
- 协助节点之间建立直接通信连接
- 提供参数服务器（Parameter Server）

ROS Master 本身不传输数据，仅协助建立连接。数据在节点间直连传输。

三、ROS 通信机制

1. 话题（Topic）——异步通信

模型：发布/订阅（Publish/Subscribe）
特点：
- 发布者（Publisher）向话题发送消息
- 订阅者（Subscriber）接收消息
- 一对多、多对一、多对多均支持
- 无反馈机制，数据单向流动
- 消息可被缓冲（Queue）

消息（Message）

定义在 .msg 文件中（如 geometry_msgs/Twist.msg）
包含字段名与数据类型（如 float64 x）
编译后自动生成各语言的类/结构体
支持嵌套与自定义类型

图像、激光雷达数据、速度指令等常通过话题传输。

2. 服务（Service）——同步通信

模型：客户端/服务器（Client/Server）
流程：
1. 客户端发送请求（Request）
2. 服务端处理后返回响应（Response）
特点：
- 有明确反馈
- 阻塞式调用（同步）
- 一个服务只能有一个服务器，但可有多个客户端

服务定义

使用 .srv 文件定义请求与响应结构
编译后生成对应语言的接口代码

示例：/spawn 服务用于在 turtlesim 中生成新海龟。

3. 动作（Action）

动作是服务的扩展，专为长时间运行任务设计
模型：增强版服务，支持长时间任务
特点：
- 异步 + 多阶段反馈（goal/status/feedback/result）
- 非阻塞：客户端发送 goal 后可继续执行其他操作。
- result 仅一次，feedback/status 可多次。
用途：耗时操作（如导航、抓取）
可取消、可监控进度。

通信通道：

通道	方向	说明
`goal`	Client → Server	发起任务目标
`cancel`	Client → Server	请求取消任务
`status`	Server → Client	当前目标状态（如 PENDING, ACTIVE, SUCCEEDED）
`feedback`	Server → Client	周期性进度反馈（如“已移动 50%”）
`result`	Server → Client	最终结果（仅一次，任务结束时发送）

4. 参数（Parameter）——全局配置字典

存储在 参数服务器（由 ROS Master 提供）
本质是一个键值对字典（Key-Value Store）
适用场景：
- 静态配置（如机器人尺寸、采样频率）
- 非二进制、小体积数据
不适用：频繁更新的动态数据（应使用话题）

可通过 rosparam 命令行工具或代码读写参数。

通信机制对比

特性	话题（Topic）	服务（Service）
通信模式	发布/订阅	客户端/服务器
同步性	异步	同步
反馈机制	无	有（请求-响应）
缓冲区	有（可设队列大小）	无
实时性	较弱（适合流式数据）	较强（适合命令/查询）
节点关系	多对多	一对多（一个 Server）
典型用途	传感器数据、状态广播	功能调用、配置修改

对比总结表

维度	话题（Topic）	服务（Service）	动作（Action）	参数（Parameter）
通信方向	单向	双向（请求-响应）	双向（多通道）	读写（非通信）
同步性	异步	同步	异步 + 状态反馈	静态
反馈机制	无	一次响应	status + feedback + result	无
实时性	中（流式）	高（阻塞）	中高（可监控）	无
任务时长	持续流	短任务（<秒级）	长任务（秒~分钟）	启动/配置时
节点关系	多对多	多客户端 / 1服务端	多客户端 / 1服务端	全局共享
是否阻塞	否	是	否	否
典型数据	传感器数据、状态	命令、查询	导航、抓取任务	配置参数

四、功能包（Package）

1. 功能包（Package）

ROS 软件的基本单元
包含：
- 节点源代码（C++/Python）
- 消息/服务定义（.msg / .srv）
- 配置文件（如 .yaml 参数文件）
- 启动文件（.launch）
- 依赖声明

2. 功能包清单（Package Manifest）

文件：package.xml
记录：
- 包名、版本、作者、许可证
- 依赖项（build、run、test）
- 编译与运行所需信息

3. 元功能包（Metapackage）

用于组织相关功能包
本身不包含代码，仅作为“集合标签”
示例：desktop-full 包含可视化、仿真、导航等全套工具

五、常用 ROS 命令行工具

https://www.bilibili.com/video/BV1zt411G7Vn （P8）

运行小海龟

1. 可视化工具

rqt_graph          # 实时查看节点与话题通信关系图

2. 节点管理 rosnode

rosnode list                # 列出所有活跃节点
rosnode info /turtlesim     # 查看指定节点的详细信息（发布/订阅的话题等）

3. 话题操作 rostopic

rostopic list                          # 列出所有话题
#rostopic pub -r 10 /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/Twist

4. 消息与服务查看

rosmsg show geometry_msgs/Twist        # 查看消息结构
rosservice list                        # 列出所有服务
rosservice call /spawn "x: 2.0 y: 2.0 theta: 0.0 name: 'turtle2'"  # 调用服务

5. 数据记录与回放（rosbag）

rosbag record -a -O cmd_record         # 记录所有话题，保存为 cmd_record.bag
rosbag play cmd_record.bag             # 回放记录的数据

.bag 文件可用于调试、测试、数据集构建。

六、ROS 工作空间（Workspace）

ROS 工作空间的完整周期：创建 → 添加包 → 编译 → 配置 → 运行 → 开发

ROS 使用 Catkin 作为官方构建系统。标准 Catkin 工作空间结构如下：

my_workspace/          # 工作空间根目录（名称可自定义，如 catkin_ws）
├── src/               # 源代码空间（Source Space）— 放置所有功能包
│   └── your_package/  # 自定义或克隆的功能包
├── build/             # 编译中间文件（Build Space）— CMake 生成的临时文件
├── devel/             # 开发环境（Development Space）— 包含 setup.bash 等环境脚本
└── install/           # （可选）安装空间 — 使用 `catkin_make install` 生成

建议：每个项目使用独立工作空间，避免包依赖冲突。

1. 创建工作空间

# 创建目录结构
mkdir -p ~/catkin_ws/src
cd ~/catkin_ws/src

# 初始化工作空间（生成 CMakeLists.txt）
catkin_init_workspace

catkin_init_workspace 在 ROS Noetic 中已非必需（catkin_make 会自动处理），但保留无害。

2. 编译工作空间

cd ~/catkin_ws
catkin_make

首次编译会自动生成 build/ 和 devel/ 目录。
后续修改代码后，只需再次运行 catkin_make 即可增量编译。

3. 配置环境变量（关键）

编译后必须 source 环境脚本，才能让 ROS 找到你的包：

source ~/catkin_ws/devel/setup.bash

验证是否生效：

echo $ROS_PACKAGE_PATH
# 应包含 ~/catkin_ws/src

永久生效（推荐）：

将 source 命令加入 ~/.bashrc，每次打开终端自动加载

打开文件写入：

gedit ~/.bashrc

或者一键写入：

echo "source ~/catkin_ws/devel/setup.bash" >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc  # 立即生效

若同时使用多个工作空间，注意 source 顺序（后 source 的优先级更高）。

4. 添加功能包

通过 `apt` 安装官方包（推荐稳定包）

sudo apt install ros-noetic-rqt-robot-steering

从 GitHub 克隆源码（适用于未发布或自研包）

cd ~/catkin_ws/src
git clone https://github.com/6-robot/wpr_simulation.git

注意：部分源码包需手动安装依赖。例如：

cd ~/catkin_ws/src/wpr_simulation/scripts
./install_for_noetic.sh  # 运行作者提供的依赖安装脚本

5. 重新编译并运行

cd ~/catkin_ws
catkin_make
# 无需再次 source（若已写入 .bashrc）

启动仿真：

roslaunch wpr_simulation wpb_simple.launch

启动遥控器：

rosrun rqt_robot_steering rqt_robot_steering

6. 在 VS Code 中开发

用 VS Code 打开整个 catkin_ws 目录
按 Ctrl+Shift+B，选择 “catkin_make: build”
确保 tasks.json 中包含默认构建任务：

  "group": {
    "kind": "build",
    "isDefault": true
  },

这样即可通过快捷键一键编译。

7. 创建自己的功能包

使用 catkin_create_pkg 快速创建模板：

cd ~/catkin_ws/src
catkin_create_pkg test_pkg rospy roscpp std_msgs

test_pkg：包名
rospy roscpp std_msgs：依赖项（根据实际需求添加）

包创建后，可在 test_pkg/src/ 中编写节点，在 test_pkg/CMakeLists.txt 和 package.xml 中管理依赖。

七、编写和使用 launch 文件

roslaunch 是 ROS 中用于批量启动节点、设置参数、管理依赖关系的核心工具。它基于 XML 语法，支持在一个 .launch 文件中启动多个节点、加载参数、嵌套其他 launch 文件，甚至条件启动。通过合理使用 launch 文件，你可以将复杂的多节点系统简化为一行命令，极大提升开发与部署效率。

优势：

自动启动 roscore（若未运行）
无需手动逐个运行 rosrun
支持参数化配置，便于复用和调试

1. launch 文件基本结构

标准 launch 文件以 .launch 为后缀，通常存放在功能包的 launch/ 目录下：

your_package/
└── launch/
    └── example.launch

基本语法遵循 XML 规范：

<launch>
  <!-- 启动一个节点 -->
  <node pkg="package_name" type="node_executable" name="node_name" output="screen" />

  <!-- 设置参数 -->
  <param name="camera_id" value="0" />

  <!-- 包含其他 launch 文件 -->
  <include file="$(find other_package)/launch/other.launch" />
</launch>

说明：

<node>：启动 ROS 节点
- pkg：功能包名
- type：可执行文件名（对应 CMakeLists.txt 中注册的节点）
- name：运行时的节点名称（可重映射）
- output="screen"：将日志输出到终端（默认输出到日志文件）
$(find pkg)：ROS 特有语法，自动解析包路径

2. 创建并运行 launch 文件

步骤示例：

# 进入你的功能包
cd ~/catkin_ws/src/test_pkg

# 创建 launch 目录（若不存在）
mkdir -p launch

# 编写 launch 文件
gedit launch/simple.launch

simple.launch 内容示例：

<launch>
  <node pkg="test_pkg" type="talker.py" name="my_talker" output="screen" />
  <node pkg="test_pkg" type="listener.py" name="my_listener" output="screen" />
</launch>

运行命令：

roslaunch test_pkg simple.launch

注意：
无需提前运行 roscore —— roslaunch 会自动检测并启动
若 roscore 已在运行，则直接复用现有 master

3. 常用高级功能

(1) 传递参数（Arg）

<launch>
  <arg name="robot_name" default="turtlebot" />
  <param name="robot/name" value="$(arg robot_name)" />

  <node pkg="robot_driver" type="driver_node" name="$(arg robot_name)_driver" />
</launch>

运行时可覆盖默认值：

roslaunch test_pkg robot.launch robot_name:=my_robot

(2) 条件启动（if / unless）

<arg name="use_sim" default="true" />

<node pkg="sensor_driver" type="real_sensor" name="sensor" if="$(eval not use_sim)" />
<node pkg="sensor_sim" type="sim_sensor" name="sensor_sim" if="$(arg use_sim)" />

(3) 嵌套 Launch 文件

<include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch">
  <arg name="paused" value="true" />
</include>

4. 最佳实践建议

每个功能包应包含独立的 launch/ 目录，组织清晰
避免硬编码路径，使用 $(find pkg) 和 <arg> 提高可移植性
调试时加上 output="screen" 查看实时日志
复杂系统可拆分为多个 launch 文件（如 bringup.launch, teleop.launch, rviz.launch），再通过主 launch 文件集成

5. 验证与调试技巧

查看当前运行的节点：
```
rosnode list
```
查看参数服务器内容：
```
rosparam list
```
若 launch 启动失败，检查：
- 节点可执行文件是否存在（catkin_make 是否成功？）
- CMakeLists.txt 是否正确安装了可执行文件（install(TARGETS ...) 或 catkin_install_python(...)）
- 文件权限（Python 脚本需有可执行权限：chmod +x script.py）

提示：在 VS Code 中编辑 .launch 文件时，可安装 ROS 扩展获得语法高亮和自动补全支持。

八、学习建议

使用 turtlesim 熟悉节点、话题、服务
理解通信本质，话题适合“广播”，服务适合“问答”
善用工具，rqt_graph、rostopic echo、rosnode info
创建一个自己的工作空间