📚 课程目录第2章 ROS2基础

2. ROS2基础

在开始集成任何传感器之前，必须先理解ROS2的“骨架”。ROS2不是一套单纯的库，而是一个分布式通信中间件。它把机器人软件拆解为若干独立单元，通过标准接口协作。本章聚焦四个核心概念——节点、话题、服务、动作，以及工作空间与功能包的创建方法。掌握这些，后续驱动激光雷达或IMU时才能理解数据从哪来、到哪去。

核心概念：节点、话题、服务、动作

节点（Node）是ROS2中执行计算的最小进程单元。一个传感器驱动、一个里程计解算器、一个路径规划器，都可以是独立节点。节点之间不直接调用函数，而是通过“命名图”通信。每个节点有唯一名称，例如 /lidar_driver 或 /imu_filter。

话题（Topic）是异步、单向、连续的数据流通道。发布者（Publisher）向话题写入消息，订阅者（Subscriber）从话题读取消息。话题适合高频传感器数据，如激光雷达点云（/scan）、IMU姿态（/imu/data_raw）。消息类型由接口定义，例如 sensor_msgs/msg/LaserScan。

服务（Service）是同步、双向、一次性的请求-应答模式。客户端发送请求并等待响应。适合低频控制指令，如“开启相机曝光”“重置里程计”。服务用 srv 文件定义请求与响应结构。

动作（Action）用于长时间、可取消、带反馈的任务。例如“导航到目标点”或“机械臂抓取”。动作由目标（Goal）、反馈（Feedback）、结果（Result）三部分组成，客户端可随时取消。动作在ROS2中基于话题和服务实现，但提供了更高层语义。

选型判断：传感器数据流（连续、高频）→ 话题；一次性指令（开/关/查询）→ 服务；复杂任务（移动/抓取/扫描建图）→ 动作。

工作空间与功能包创建

ROS2采用工作空间（Workspace）组织代码。典型结构为 src（源码）、build（编译中间文件）、install（安装产物）、log（日志）。使用 colcon 工具构建。功能包（Package）是ROS2的软件单元，包含节点源码、接口定义、配置文件等。

创建功能包的标准流程如下：

创建工作空间目录并初始化 src 文件夹。
使用 ros2 pkg create 生成包骨架。
编写节点源码与 CMakeLists.txt / package.xml。
使用 colcon build 编译。
source install/setup.bash 使包可见。

# 创建工作空间
mkdir -p ~/ros2_sensor_ws/src
cd ~/ros2_sensor_ws

# 创建C++功能包（含依赖）
ros2 pkg create lidar_driver_pkg \
  --build-type ament_cmake \
  --dependencies rclcpp sensor_msgs

# 创建Python功能包
ros2 pkg create imu_reader_pkg \
  --build-type ament_python \
  --dependencies rclpy sensor_msgs

# 编译整个工作空间
colcon build --symlink-install

# 使环境生效
source install/setup.bash

# 验证包可见
ros2 pkg list | grep sensor

实用建议：开发传感器驱动时，优先使用 --symlink-install 选项。这样修改Python脚本后无需重新编译即可生效，大幅提升调试效率。

案例：搭建激光雷达驱动包

假设我们有一款2D激光雷达，需要编写驱动节点发布 sensor_msgs/msg/LaserScan 消息。以下展示最小实现框架：

// lidar_driver_node.cpp (核心片段)
#include "rclcpp/rclcpp.hpp"
#include "sensor_msgs/msg/laser_scan.hpp"

class LidarDriver : public rclcpp::Node {
public:
  LidarDriver() : Node("lidar_driver") {
    publisher_ = this->create_publisher<sensor_msgs::msg::LaserScan>("/scan", 10);
    timer_ = this->create_wall_timer(
      std::chrono::milliseconds(100),
      std::bind(&LidarDriver::publish_scan, this));
  }

private:
  void publish_scan() {
    auto msg = sensor_msgs::msg::LaserScan();
    msg.header.stamp = this->now();
    msg.angle_min = 0.0;
    msg.angle_max = 6.28319;  // 360度
    msg.angle_increment = 0.0174533; // 1度
    msg.range_min = 0.1;
    msg.range_max = 10.0;
    // msg.ranges 填充实际测量数据...
    publisher_->publish(msg);
  }
  rclcpp::Publisher<sensor_msgs::msg::LaserScan>::SharedPtr publisher_;
  rclcpp::TimerBase::SharedPtr timer_;
};

int main(int argc, char** argv) {
  rclcpp::init(argc, argv);
  rclcpp::spin(std::make_shared<LidarDriver>());
  rclcpp::shutdown();
  return 0;
}

编译后运行节点，可用 ros2 topic echo /scan 查看数据流，用 ros2 node info /lidar_driver 查看节点详情。

常见误区与复盘

误区	后果	正确做法
所有通信都用话题	服务类指令（如校准）难以同步确认	根据请求-响应语义选择服务
忽略 `package.xml` 依赖声明	在别的机器上编译失败	创建包时用 `--dependencies` 显式声明
忘记 source install/setup.bash	运行时报“找不到包”	每次新终端先source，或加入 `~/.bashrc`
话题名与消息类型不匹配	订阅者收不到数据	用 `ros2 topic info /scan` 检查类型

关键提醒：在ROS2中，节点名称、话题名称、服务名称共同组成命名空间。如果两个传感器驱动都发布 /scan，会发生数据冲突。建议使用命名空间隔离，例如 /left_lidar/scan 与 /right_lidar/scan。

复盘一个典型调试场景：当你运行 ros2 run lidar_driver_pkg lidar_driver_node 却收到 Package not found 错误时，90%的原因是当前终端未source工作空间。执行 source ~/ros2_sensor_ws/install/setup.bash 即可解决。若仍失败，检查 colcon build 是否成功，以及包名是否拼写正确。

理解节点间的通信模式差异，是设计传感器驱动架构的基础。话题负责数据洪流，服务处理控制指令，动作管理复杂任务。工作空间与功能包则是代码组织的基石。下一阶段，我们将基于这些概念，实际接入第一个传感器并可视化数据流。