3. ROS2基础

PX4 的外部控制与 Offboard 开发，本质上是在 ROS 2 的计算图（Computation Graph）中，让一个或多个节点与 PX4 的 uXRCE-DDS 桥接节点交换数据。因此，理解 ROS 2 的通信模型，是后续编写 Offboard 控制程序、调试话题频率、排查“指令发不出去”问题的前提。本节把 ROS 2 的核心概念串成一条主线：节点是执行单元，话题/服务/动作是三种通信方式，参数是节点配置，Launch 是启动编排，命令行工具是观察与验证手段。

一、核心原理：节点与三种通信机制

ROS 2 采用分布式节点架构。每个节点（Node）是一个独立进程，通过 DDS 中间件自动发现彼此，无需中心 Master。节点之间通过以下方式交互：

• 话题（Topic）：发布/订阅模型，异步、单向、多对多，适合高频连续数据流，如 /fmu/out/vehicle_odometry、/fmu/in/trajectory_setpoint。
• 服务（Service）：请求/响应模型，同步、双向、一对一，适合一次性命令，如解锁、切换模式、设置参数。
• 动作（Action）：基于话题和服务的组合，支持长时任务、周期反馈与可取消，如“飞往某航点并持续上报进度”。
• 参数（Parameter）：节点的运行时配置项，可动态读写，如控制增益、超时阈值、坐标系选择。

在 PX4 Offboard 场景中，最常用的是话题：PX4 通过 uXRCE-DDS 把 /fmu/out/* 发布出来，外部控制节点订阅状态，并向 /fmu/in/* 发布设定值。服务与动作则用于模式切换、解锁、任务级控制等非连续交互。

二、方法流程：从建包到运行的最小闭环

一个可运行的 ROS 2 控制程序，通常遵循“建包 → 写节点 → 配参数 → 写 Launch → 编译运行”的流程。下面以 Python 节点为例：

# 1. 创建功能包
ros2 pkg create --build-type ament_python offboard_demo \
  --dependencies rclpy px4_msgs

# 2. 节点骨架（offboard_demo/offboard_node.py）
import rclpy
from rclpy.node import Node
from px4_msgs.msg import OffboardControlMode, TrajectorySetpoint

class OffboardNode(Node):
    def __init__(self):
        super().__init__('offboard_node')
        self.declare_parameter('setpoint_rate', 20.0)
        rate = self.get_parameter('setpoint_rate').value
        self.pub_mode = self.create_publisher(
            OffboardControlMode, '/fmu/in/offboard_control_mode', 10)
        self.pub_sp = self.create_publisher(
            TrajectorySetpoint, '/fmu/in/trajectory_setpoint', 10)
        self.timer = self.create_timer(1.0 / rate, self.tick)

    def tick(self):
        mode = OffboardControlMode()
        mode.position = True
        self.pub_mode.publish(mode)
        sp = TrajectorySetpoint()
        sp.position = [0.0, 0.0, -5.0]
        self.pub_sp.publish(sp)

def main():
    rclpy.init()
    node = OffboardNode()
    rclpy.spin(node)
    node.destroy_node()
    rclpy.shutdown()

参数通过 declare_parameter 声明后，可在 Launch 文件中覆盖，也可用命令行动态修改。Launch 文件负责把桥接节点、控制节点、参数配置一次性拉起：

# offboard_demo/launch/offboard.launch.py
from launch import LaunchDescription
from launch_ros.actions import Node

def generate_launch_description():
    return LaunchDescription([
        Node(package='offboard_demo', executable='offboard_node',
             name='offboard_node',
             parameters=[{'setpoint_rate': 20.0}]),
    ])

三、常用命令行工具：观察与验证

调试 Offboard 时，命令行工具是“眼睛”。下表列出最常用的命令及其用途：

四、案例与误区复盘

案例：Offboard 模式无法进入。常见原因是只发布了 trajectory_setpoint，却没有持续发布 offboard_control_mode 心跳。PX4 要求进入 Offboard 前必须先收到稳定的控制模式消息，且频率足够。用 ros2 topic hz /fmu/in/offboard_control_mode 即可确认心跳是否存在。

误区一：把服务当话题用。服务是同步阻塞的，若在回调中长时间等待，会拖垮执行器。高频控制必须走话题。

误区二：忽略 QoS 配置。PX4 的 uXRCE-DDS 话题通常使用 Best Effort 或特定 Reliability，若订阅端 QoS 不匹配，会“看不到数据”。用 ros2 topic info -v 可查看 QoS 详情。

误区三：参数改了却没生效。参数修改后需确认节点是否重新读取，或是否被 Launch 文件中的默认值覆盖。建议用 ros2 param get 复核实际值。

掌握节点、话题、服务、动作、参数与 Launch 的协作方式，并熟练使用命令行工具观察数据流，就具备了后续编写 PX4 Offboard 控制程序的基础设施能力。下一阶段将把这些概念落到具体的 PX4 消息接口与坐标系约定上。