2. ROS2基础与开发环境搭建

ROS2 不是一套“仿真软件”，而是一套让机器人各部件彼此通信、协同工作的中间件与工具集合。对海洋无人装备而言，一艘无人艇上可能同时运行姿态解算、GPS 定位、推进器控制、避障感知、任务调度等多个程序，它们需要以松耦合的方式交换数据、请求服务、执行长时任务。ROS2 用节点、话题、服务、动作、参数这五个核心概念来组织这种协作关系。理解它们的分工，是后续搭建控制与仿真系统的前提。

五个核心概念的分工

节点（Node）是 ROS2 中最小的功能单元，一个节点通常只负责一件事，例如“读取 IMU 数据”或“计算航向偏差”。节点之间不直接调用彼此的函数，而是通过通信机制交互，因此可以独立启动、替换和调试。话题（Topic）是单向、异步、多对多的数据流，发布者持续发送消息，订阅者按需接收，适合传感器数据、状态广播这类高频流式信息。服务（Service）是请求—应答式的同步调用，客户端发一次请求、服务端回一次结果，适合“查询当前航点”“切换控制模式”这类短时确定操作。动作（Action）面向耗时任务，支持目标下发、周期反馈和中途取消，例如“航行到指定坐标并持续回报进度”。参数（Parameter）则是节点的可配置项，如控制增益、采样频率，可在运行时查询和修改。

选择哪种通信方式，关键看数据的方向与时长：持续单向流动用话题，一问一答用服务，长任务且需反馈或可取消用动作，配置项用参数。下图把这五种机制放在同一艘无人艇的典型数据链中，便于对照理解它们的连接方向与角色差异。

在 Ubuntu 上安装 ROS2 Humble

ROS2 Humble 官方支持 Ubuntu 22.04（Jammy），这是当前最稳妥的组合。安装前先确认系统版本与区域设置，然后添加 ROS2 软件源。以下命令以官方文档流程为准，实际执行时需保证网络可访问软件源：

# 1. 确认系统版本
lsb_release -a          # 应显示 Ubuntu 22.04

# 2. 设置 UTF-8 区域
sudo apt update && sudo apt install locales
sudo locale-gen en_US en_US.UTF-8
sudo update-locale LC_ALL=en_US.UTF-8 LANG=en_US.UTF-8

# 3. 添加 ROS2 源与密钥
sudo apt install software-properties-common curl
sudo add-apt-repository universe
sudo curl -sSL https://raw.githubusercontent.com/ros/rosdistro/master/ros.key \
  -o /usr/share/keyrings/ros-archive-keyring.gpg
echo "deb [arch=$(dpkg --print-architecture) signed-by=/usr/share/keyrings/ros-archive-keyring.gpg] \
  http://packages.ros.org/ros2/ubuntu $(. /etc/os-release && echo $UBUNTU_CODENAME) main" \
  | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/ros2.list > /dev/null

# 4. 安装桌面版
sudo apt update
sudo apt install ros-humble-desktop

# 5. 配置环境变量
echo "source /opt/ros/humble/setup.bash" >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc

安装完成后，用 ros2 --version 或 ros2 pkg list | head 验证。若命令不存在，多半是环境变量未生效，重新打开终端或手动 source 即可。桌面版已包含 rviz2、rqt 等常用工具，无需单独安装。

工作空间与常用工具

ROS2 的代码组织在“工作空间”中，典型结构是 src/ 放源码包，build/、install/、log/ 由构建工具自动生成。创建并初始化一个工作空间：

mkdir -p ~/marine_ws/src
cd ~/marine_ws
colcon build
source install/setup.bash

colcon 是构建工具，负责按依赖顺序编译包；rosdep 用于自动安装包声明的系统依赖，首次使用需 sudo rosdep init && rosdep update，之后在 src/ 下执行 rosdep install --from-paths src --ignore-src -r -y。rviz2 是三维可视化工具，可显示点云、位姿、TF 坐标变换；rqt 是图形化调试工具集，其中 rqt_graph 能直观看到节点与话题的连接关系，rqt_plot 可实时绘制数值曲线。这四个工具贯穿后续所有实验，建议在第一个实验里就逐一打开熟悉。

第一个节点通信实验

下面用 Python 写一对最小节点，验证话题通信。先创建功能包：

cd ~/marine_ws/src
ros2 pkg create --build-type ament_python marine_demo \
  --dependencies rclpy std_msgs

在 marine_demo/marine_demo/ 下新建 talker.py，以 1 Hz 发布模拟航向角；再建 listener.py 订阅并打印。核心逻辑是：发布者创建 Publisher，在定时器回调里 publish；订阅者创建 Subscription，在回调里读取 msg.data。两个节点使用同一个话题名 /heading 和同一消息类型 std_msgs/Float32，这是能通信的前提。

# talker.py 关键片段
import rclpy
from rclpy.node import Node
from std_msgs.msg import Float32

class Talker(Node):
    def __init__(self):
        super().__init__('heading_talker')
        self.pub = self.create_publisher(Float32, '/heading', 10)
        self.timer = self.create_timer(1.0, self.tick)
        self.angle = 0.0
    def tick(self):
        self.angle = (self.angle + 5.0) % 360.0
        msg = Float32(); msg.data = self.angle
        self.pub.publish(msg)
        self.get_logger().info(f'发布航向: {self.angle:.1f}')

编译并运行：colcon build --packages-select marine_demo，source 后分别在不同终端执行 ros2 run marine_demo talker 与 ros2 run marine_demo listener。若订阅端每秒打印一次递增的航向值，说明话题链路打通。此时再开一个终端执行 ros2 topic echo /heading 可看到原始消息，ros2 topic hz /heading 应显示约 1 Hz，ros2 node list 与 rqt_graph 则能确认两个节点及它们之间的话题连接。

这套“建包—写节点—编译—运行—用工具观测”的流程，就是后续所有控制与仿真实验的基本骨架。把五个核心概念与四个工具用熟，才能在无人艇的多节点系统中快速定位问题、扩展功能。