核心概念：节点、话题、服务、动作、参数与图（Graph）

ROS2 的本质是一个分布式通信中间件，它并不直接传输机器人的传感器数据或电机指令，而是提供一套标准化的“语言”和“交通规则”，让不同功能模块能够协同工作。理解 ROS2 的第一步，就是掌握它的六大核心概念：节点（Node）、话题（Topic）、服务（Service）、动作（Action）、参数（Parameter）以及描述它们关系的图（Graph）。这六个概念构成了 ROS2 应用的基本骨架，也是后续所有开发工作的基础。

1. 节点（Node）：功能的最小执行单元

节点是 ROS2 中可执行文件运行时的实例。一个机器人系统通常由多个节点组成，每个节点负责一项专门的任务。例如，一个激光雷达驱动节点负责读取扫描数据，一个里程计节点负责计算位置，一个导航节点负责规划路径。节点之间相互独立、互不依赖，这种设计带来了两个关键优势：故障隔离（单个节点崩溃不会拖垮整个系统）和代码复用（同一节点可被不同机器人项目直接使用）。

在代码层面，创建一个节点只需继承 rclpy 或 rclcpp 中的 Node 类，并为其指定一个唯一名称。节点名称是图（Graph）中的唯一标识，不能与同一台机器上运行的其他节点重名。

# Python 示例：创建并运行一个最小节点
import rclpy
from rclpy.node import Node

class MinimalNode(Node):
    def __init__(self):
        super().__init__('minimal_node')  # 节点名称
        self.get_logger().info('节点已启动')

def main(args=None):
    rclpy.init(args=args)
    node = MinimalNode()
    rclpy.spin(node)  # 保持节点运行，等待回调
    node.destroy_node()
    rclpy.shutdown()

2. 话题（Topic）：异步的“发布-订阅”通信

话题是 ROS2 中最常用的通信方式，适用于持续、单向、高频的数据流，例如传感器数据、状态信息等。其核心模型是发布者（Publisher）与订阅者（Subscriber）：发布者将数据“广播”到某个话题上，任何对该话题感兴趣的订阅者都能收到数据副本。这种模式是异步的——发布者不关心谁在接收，订阅者也不等待数据到达，两者在时间上完全解耦。

话题通信的关键在于消息类型（Message Type）。发布者和订阅者必须使用相同的消息类型才能正确解析数据。例如，激光雷达数据通常使用 sensor_msgs/msg/LaserScan，而图像数据使用 sensor_msgs/msg/Image。ROS2 内置了大量标准消息类型，也支持用户自定义。

3. 服务（Service）：同步的“请求-响应”通信

与话题的“广播”模式不同，服务采用客户端-服务器（Client-Server）模式，适用于一次性、需要立即返回结果的任务。例如，请求机器人拍照、查询当前电量、执行一次路径规划。客户端发送请求后，会阻塞等待服务器处理完毕并返回响应。这种通信是同步的，具有明确的因果逻辑。

服务由一对消息类型定义：请求（Request）和响应（Response）。例如，一个“设置目标点”的服务，请求包含目标坐标，响应包含是否成功及执行时间。

# 服务接口定义示例（.srv 文件）
# SetTarget.srv
---
# 请求部分
float32 x
float32 y
float32 theta
---
# 响应部分
bool success
string message

4. 动作（Action）：带反馈的长时间任务

动作是 ROS2 中专门为长时间、可取消、需要进度反馈的任务设计的通信机制。它结合了话题和服务的优点：客户端发送一个目标（Goal），服务器执行任务并通过反馈（Feedback）话题持续上报进度，任务完成后发送结果（Result）。整个过程可以被客户端随时取消。

动作的典型应用是机器人导航：发送“移动到 A 点”的目标后，导航节点会持续反馈“当前走到 30%”、“前方有障碍物绕行中”，最终返回“已到达”或“失败”。动作在底层由三个话题和一个服务组成，但对开发者封装了复杂细节。

5. 参数（Parameter）：节点的可配置变量

参数是节点的静态配置项，用于在运行时调整节点行为而无需修改代码。例如，激光雷达的扫描频率、PID 控制器的增益系数、摄像头的曝光时间。参数具有名称、类型和值，可以在节点启动时通过命令行或 YAML 文件加载，也可以在运行时动态修改。

ROS2 的参数系统支持基础类型（整型、浮点、字符串、布尔）以及数组和字节流。参数通常用于低频配置，不适合传输高频动态数据。

6. 图（Graph）：全局拓扑的实时视图

所有运行中的节点、话题、服务、动作和参数共同构成了一个计算图（Compute Graph）。这个图不是静态的——节点可以随时加入或退出，话题可以动态建立连接。ROS2 提供了一套图查询机制，允许开发者实时发现当前系统中存在哪些节点、它们发布了哪些话题、谁在订阅谁。

下图展示了 ROS2 中一个典型机器人系统的图结构，清晰呈现了节点间通过不同通信机制建立的连接关系：

上图展示了一个典型的 ROS2 导航系统图结构。可以看到，激光雷达驱动节点将 /scan 数据发布到话题，导航节点订阅该话题；轮式里程计发布 /odom，导航节点同样订阅。导航节点计算后，将速度指令发布到 /cmd_vel，底盘控制器订阅并执行。RViz 通过动作接口向导航节点发送目标点，而“保存地图”则通过服务实现。所有节点都可以通过参数服务器读取配置。

7. 通信机制对比与选择

8. 常见误区与复盘