PNP机器人专注具身智能方向， 是Franka战略合作伙伴。 提要： ROS开源生态庞大，社区活跃，驱动、算法、可视化工具即装即用，大幅降低科研门槛；FRANKA机器人、KINOVA等主流机型原生支持ROS/ROS2 ，接口统一，实验成果可无缝迁移。PNP机器人更新ROS系列教程，从节点通信、MoveIt!到Gazebo仿真，全流程讲解，并附实验室级实例源码，助力机器人、AI、自动化等方向学者快速复现顶会算法， 加速论文与原型落地，敬请关注后续深度篇章！ROS2（Robot Operating System 2）是机器人操作系统（ROS）的第二版，是一个开源的机器人软件开发平台，提供工具、库和功能，帮助开发者构建机器人应用 。ROS2 是在 ROS 的基础上重新设计的，解决了 ROS 1 的局限性，如缺乏实时性支持、安全机制不足和跨平台兼容性差等问题 。ROS2 采用分布式架构，基于 DDS（Data Distribution Service）标准，支持高效、可靠的实时通信，并具备灵活的 QoS（服务质量）配置能力 。此外，ROS2 支持跨平台（如 Linux、Windows 和 macOS），并增加了对 Rust 等语言的支持。 ROS2 的核心组件包括节点（Nodes）、话题（Topics）、发布者（Publishers）、订阅者（Subscribers）、服务（Services）和客户端（Clients），这些组件通过 DDS 实现分布式通信，使机器人的感知、决策、控制等功能模块可以灵活地分布和协同工作。今天主要是分享一下ROS2的核心包括节点、话题、服务和DDS通信协议的内容，其中会对官方和本书的相关细节进行比对，本文章都以C++为例。 （ 原文链接： https://www.eeworld.com.cn/a44eHGC ） 1、ROS2中的节点具有以下几个特点 2、节点编程方法（C++） a.C++程序编写 #include "rclcpp/rclcpp.hpp" /*** 创建一个HelloWorld节点, 初始化时输出“hello world”日志 ***/ class HelloWorldNode : public rclcpp::Node { public : HelloWorldNode () : Node ( "node_helloworld_class" ) // ROS2节点父类初始化 { while (rclcpp::ok()) // ROS2系统是否正常运行 { RCLCPP_INFO( this ->get_logger(), "Hello World" ); // ROS2日志输出 sleep( 1 ); // 休眠控制循环时间 } } }; // ROS2节点主入口main函数 int main( int argc, char * argv[]) { // ROS2 C++接口初始化 rclcpp::init(argc, argv); // 创建ROS2节点对象并进行初始化 rclcpp::spin( std ::make_shared<HelloWorldNode>()); // 关闭ROS2 C++接口 rclcpp::shutdown(); return 0 ; } ** 可以看的出来ROS2对节点的编程推荐 面向对象编程 的编程方法** 同时ROS2的编程难度更大、C++的语法更新、所以使用python也不失为一种方法
b.设置编译选项（编译接口） find_package(rclcpp REQUIRED) add_executable(node_helloworld_class src/node_helloworld_class.cpp) ament_target_dependencies(node_helloworld_class rclcpp) install(TARGETS node_helloworld_class DESTINATION lib/ ${PROJECT_NAME} ) 前三行相对于ROS1没什么太大区别，主要是多了最后这个
将编译生成的可执行文件拷贝到install安装空间的lib文件夹下 我们知道ROS2相对于ROS1的工作空间构建方式变了，其中多了install文件夹 所以要注意最后一行
c.编译运行 #进入工作空间后 colcon build #编译工作空间 ros2 run learning_node_cpp node_helloworld_class # (功能包 可执行文件) ros2 node list # 查看节点列表 ros2 node info <node_name> # 查看节点信息
1.rqt_graph
ros2 run turtlesim turtlesim_node ros2 run turtlesim turtle_teleop_key rqt_graph 我们将使用 rqt_graph 来可视化不断变化的节点和主题，以及它们之间的联系。
话题通信的一个特性，就是 异步通信 所谓异步，只要是指发布者发出数据后，并不知道订阅者什么时候可以收到。所以ROS2的后台会有一个轮询机制，当发现有数据进入消息队列时，就会触发回调函数
2.发布话题 /*** @作者: 古月居(www.guyuehome.com) @说明: ROS2话题示例-发布图像话题 ***/ #include <chrono> #include <functional> #include <memory> #include <string> #include "rclcpp/rclcpp.hpp" // ROS2 C++接口库 #include "std_msgs/msg/string.hpp" // 字符串消息类型 using namespace std ::chrono_literals; class PublisherNode : public rclcpp::Node { public : PublisherNode() : Node( "topic_helloworld_pub" ) // ROS2节点父类初始化 { // 创建发布者对象（消息类型、话题名、队列长度） publisher_ = this ->create_publisher<std_msgs::msg::String>( "chatter" , 10 ); // 创建一个定时器,定时执行回调函数 timer_ = this ->create_wall_timer( 500 ms, std ::bind(&PublisherNode::timer_callback, this )); } private : // 创建定时器周期执行的回调函数 void timer_callback() { // 创建一个String类型的消息对象 auto msg = std_msgs::msg::String(); // 填充消息对象中的消息数据 msg.data = "Hello World" ; // 发布话题消息 RCLCPP_INFO( this ->get_logger(), "Publishing: '%s'" , msg.data.c_str()); // 输出日志信息，提示已经完成话题发布 publisher_->publish(msg); } rclcpp::TimerBase::SharedPtr timer_; // 定时器指针 rclcpp::Publisher<std_msgs::msg::String>::SharedPtr publisher_; // 发布者指针 }; // ROS2节点主入口main函数 int main( int argc, char * argv[]) { // ROS2 C++接口初始化 rclcpp::init(argc, argv); // 创建ROS2节点对象并进行初始化 rclcpp::spin( std ::make_shared<PublisherNode>()); // 关闭ROS2 C++接口 rclcpp::shutdown(); return 0 ; } 都是面向对象编程
3.订阅话题 /*** @作者: 古月居(www.guyuehome.com) @说明: ROS2话题示例-订阅“Hello World”话题消息 ***/ #include <memory> #include "rclcpp/rclcpp.hpp" // ROS2 C++接口库 #include "std_msgs/msg/string.hpp" // 字符串消息类型 using std ::placeholders::_1; class SubscriberNode : public rclcpp::Node { public : SubscriberNode () : Node ( "topic_helloworld_sub" ) // ROS2节点父类初始化 { subscription_ = this ->create_subscription<std_msgs::msg::String>( "chatter" , 10 , std ::bind(&SubscriberNode::topic_callback, this , _1)); // 创建订阅者对象（消息类型、话题名、订阅者回调函数、队列长度） } private : void topic_callback ( const std_msgs::msg::String & msg) const // 创建回调函数，执行收到话题消息后对数据的处理 { RCLCPP_INFO( this ->get_logger(), "I heard: '%s'" , msg.data.c_str()); // 输出日志信息，提示订阅收到的话题消息 } rclcpp::Subscription<std_msgs::msg::String>::SharedPtr subscription_; // 订阅者指针 }; // ROS2节点主入口main函数 int main( int argc, char * argv[]) { // ROS2 C++接口初始化 rclcpp::init(argc, argv); // 创建ROS2节点对象并进行初始化 rclcpp::spin( std ::make_shared<SubscriberNode>()); // 关闭ROS2 C++接口 rclcpp::shutdown(); return 0 ; }
服务可以实现类似你问我答的 同步通信 效果
a.服务的特点 服务的特点： b.客户端 /*** @作者: 古月居(www.guyuehome.com) @说明: ROS2服务示例-发送两个加数，请求加法器计算 ***/ #include "rclcpp/rclcpp.hpp" // ROS2 C++接口库 #include "learning_interface/srv/add_two_ints.hpp" // 自定义的服务接口 #include <chrono> #include <cstdlib> #include <memory> using namespace std ::chrono_literals; int main( int argc, char **argv) { // ROS2 C++接口初始化 rclcpp::init(argc, argv); if (argc != 3 ) { RCLCPP_INFO(rclcpp::get_logger( "rclcpp" ), "usage: service_adder_client X Y" ); return 1 ; } // 创建ROS2节点对象并进行初始化 std :: shared_ptr <rclcpp::Node> node = rclcpp::Node::make_shared( "service_adder_client" ); // 创建服务客户端对象（服务接口类型，服务名） rclcpp::Client<learning_interface::srv::AddTwoInts>::SharedPtr client = node->create_client<learning_interface::srv::AddTwoInts>( "add_two_ints" ); // 创建服务接口数据 auto request = std ::make_shared<learning_interface::srv::AddTwoInts::Request>(); request->a = atoll(argv[ 1 ]); request->b = atoll(argv[ 2 ]); // 循环等待服务器端成功启动 while (!client->wait_for_service( 1 s)) { if (!rclcpp::ok()) { RCLCPP_ERROR(rclcpp::get_logger( "rclcpp" ), "Interrupted while waiting for the service. Exiting." ); return 0 ; } RCLCPP_INFO(rclcpp::get_logger( "rclcpp" ), "service not available, waiting again..." ); } // 异步方式发送服务请求 auto result = client->async_send_request(request); // 接收服务器端的反馈数据 if (rclcpp::spin_until_future_complete(node, result) == rclcpp::FutureReturnCode::SUCCESS) { // 将收到的反馈信息打印输出 RCLCPP_INFO(rclcpp::get_logger( "rclcpp" ), "Sum: %ld" , result.get()->sum); } else { RCLCPP_ERROR(rclcpp::get_logger( "rclcpp" ), "Failed to call service add_two_ints" ); } // 关闭ROS2 C++接口 rclcpp::shutdown(); return 0 ; } c. 服务端 /*** @作者: 古月居(www.guyuehome.com) @说明: ROS2服务示例-提供加法器的服务器处理功能 ***/ #include "rclcpp/rclcpp.hpp" // ROS2 C++接口库 #include "learning_interface/srv/add_two_ints.hpp" // 自定义的服务接口 #include <memory> // 创建回调函数，执行收到请求后对数据的处理 void adderServer( const std :: shared_ptr <learning_interface::srv::AddTwoInts::Request> request, std :: shared_ptr <learning_interface::srv::AddTwoInts::Response> response) { // 完成加法求和计算，将结果放到反馈的数据中 response->sum = request->a + request->b; // 输出日志信息，提示已经完成加法求和计算 RCLCPP_INFO(rclcpp::get_logger( "rclcpp" ), "Incoming request\na: %ld" " b: %ld" , request->a, request->b); RCLCPP_INFO(rclcpp::get_logger( "rclcpp" ), "sending back response: [%ld]" , ( long int )response->sum); } // ROS2节点主入口main函数 int main( int argc, char **argv) { // ROS2 C++接口初始化 rclcpp::init(argc, argv); // 创建ROS2节点对象并进行初始化 std :: shared_ptr <rclcpp::Node> node = rclcpp::Node::make_shared( "service_adder_server" ); // 创建服务器对象（接口类型、服务名、服务器回调函数） rclcpp::Service<learning_interface::srv::AddTwoInts>::SharedPtr service = node->create_service<learning_interface::srv::AddTwoInts>( "add_two_ints" , &adderServer); RCLCPP_INFO(rclcpp::get_logger( "rclcpp" ), "Ready to add two ints." ); // 循环等待ROS2退出 rclcpp::spin(node); // 关闭ROS2 C++接口 rclcpp::shutdown(); } d.命令行操作 ros2 service list # 查看服务列表 ros2 service type <service_name> # 查看服务数据类型 ros2 service call < service_name > < service_ type > < service_data > # 发送服务请求
同ROS1一样ROS2同样有的可自定义的通信接口，这些通信接口大大拓展了ROS的应用场景 具体的自定义接口的方法可以看官方文档或者
动作是一种应用层的通信机制，其底层是基于话题和服务实现的
a. 服务端 /*** @作者: 古月居(www.guyuehome.com) @说明: ROS2动作示例-负责执行圆周运动动作的服务端 ***/ #include <iostream> #include "rclcpp/rclcpp.hpp" // ROS2 C++接口库 #include "rclcpp_action/rclcpp_action.hpp" // ROS2 动作类 #include "learning_interface/action/move_circle.hpp" // 自定义的圆周运动接口 using namespace std ; class MoveCircleActionServer : public rclcpp::Node { public : // 定义一个自定义的动作接口类，便于后续使用 using CustomAction = learning_interface::action::MoveCircle; // 定义一个处理动作请求、取消、执行的服务器端 using GoalHandle = rclcpp_action::ServerGoalHandle<CustomAction>; explicit MoveCircleActionServer( const rclcpp::NodeOptions & action_server_options = rclcpp::NodeOptions()) : Node( "action_move_server" , action_server_options) // ROS2节点父类初始化 { using namespace std ::placeholders; this ->action_server_ = rclcpp_action::create_server<CustomAction>( // 创建动作服务器（接口类型、动作名、回调函数） this ->get_node_base_interface(), this ->get_node_clock_interface(), this ->get_node_logging_interface(), this ->get_node_waitables_interface(), "move_circle" , std ::bind(&MoveCircleActionServer::handle_goal, this , _1, _2), std ::bind(&MoveCircleActionServer::handle_cancel, this , _1), std ::bind(&MoveCircleActionServer::handle_accepted, this , _1)); } private : rclcpp_action::Server<CustomAction>::SharedPtr action_server_; // 动作服务器 // 响应动作目标的请求 rclcpp_action::GoalResponse handle_goal( const rclcpp_action::GoalUUID & uuid, std :: shared_ptr < const CustomAction::Goal> goal_request) { RCLCPP_INFO( this ->get_logger(), "Server: Received goal request: %d" , goal_request->enable); ( void )uuid; // 如请求为enable则接受运动请求，否则就拒绝 if (goal_request->enable) { return rclcpp_action::GoalResponse::ACCEPT_AND_EXECUTE; } else { return rclcpp_action::GoalResponse::REJECT; } } // 响应动作取消的请求 rclcpp_action::CancelResponse handle_cancel( const std :: shared_ptr <GoalHandle> goal_handle_canceled_) { RCLCPP_INFO( this ->get_logger(), "Server: Received request to cancel action" ); ( void ) goal_handle_canceled_; return rclcpp_action::CancelResponse::ACCEPT; } // 处理动作接受后具体执行的过程 void handle_accepted( const std :: shared_ptr <GoalHandle> goal_handle_accepted_) { using namespace std ::placeholders; // 在线程中执行动作过程 std ::thread{ std ::bind(&MoveCircleActionServer::execute, this , _1), goal_handle_accepted_}.detach(); } void execute( const std :: shared_ptr <GoalHandle> goal_handle_) { const auto requested_goal = goal_handle_->get_goal(); // 动作目标 auto feedback = std ::make_shared<CustomAction::Feedback>(); // 动作反馈 auto result = std ::make_shared<CustomAction::Result>(); // 动作结果 RCLCPP_INFO( this ->get_logger(), "Server: Executing goal" ); rclcpp::Rate loop_rate( 1 ); // 动作执行的过程 for ( int i = 0 ; (i < 361 ) && rclcpp::ok(); i=i+ 30 ) { // 检查是否取消动作 if (goal_handle_->is_canceling()) { result->finish = false ; goal_handle_->canceled(result); RCLCPP_INFO( this ->get_logger(), "Server: Goal canceled" ); return ; } // 更新反馈状态 feedback->state = i; // 发布反馈状态 goal_handle_->publish_feedback(feedback); RCLCPP_INFO( this ->get_logger(), "Server: Publish feedback" ); loop_rate.sleep(); } // 动作执行完成 if (rclcpp::ok()) { result->finish = true ; goal_handle_->succeed(result); RCLCPP_INFO( this ->get_logger(), "Server: Goal succeeded" ); } } }; // ROS2节点主入口main函数 int main( int argc, char * argv[]) { // ROS2 C++接口初始化 rclcpp::init(argc, argv); // 创建ROS2节点对象并进行初始化 rclcpp::spin( std ::make_shared<MoveCircleActionServer>()); // 关闭ROS2 C++接口 rclcpp::shutdown(); return 0 ; } b. 客户端 /*** @作者: 古月居(www.guyuehome.com) @说明: ROS2动作示例-请求执行圆周运动动作的客户端 ***/ #include <iostream> #include "rclcpp/rclcpp.hpp" // ROS2 C++接口库 #include "rclcpp_action/rclcpp_action.hpp" // ROS2 动作类 #include "learning_interface/action/move_circle.hpp" // 自定义的圆周运动接口 using namespace std ; class MoveCircleActionClient : public rclcpp::Node { public : // 定义一个自定义的动作接口类，便于后续使用 using CustomAction = learning_interface::action::MoveCircle; // 定义一个处理动作请求、取消、执行的客户端类 using GoalHandle = rclcpp_action::ClientGoalHandle<CustomAction>; explicit MoveCircleActionClient( const rclcpp::NodeOptions & node_options = rclcpp::NodeOptions()) : Node( "action_move_client" , node_options) // ROS2节点父类初始化 { this ->client_ptr_ = rclcpp_action::create_client<CustomAction>( // 创建动作客户端（接口类型、动作名） this ->get_node_base_interface(), this ->get_node_graph_interface(), this ->get_node_logging_interface(), this ->get_node_waitables_interface(), "move_circle" ); } // 创建一个发送动作目标的函数 void send_goal( bool enable) { // 检查动作服务器是否可以使用 if (! this ->client_ptr_->wait_for_action_server( std ::chrono::seconds( 10 ))) { RCLCPP_ERROR( this ->get_logger(), "Client: Action server not available after waiting" ); rclcpp::shutdown(); return ; } // 绑定动作请求、取消、执行的回调函数 auto send_goal_options = rclcpp_action::Client<CustomAction>::SendGoalOptions(); using namespace std ::placeholders; send_goal_options.goal_response_callback = std ::bind(&MoveCircleActionClient::goal_response_callback, this , _1); send_goal_options.feedback_callback = std ::bind(&MoveCircleActionClient::feedback_callback, this , _1, _2); send_goal_options.result_callback = std ::bind(&MoveCircleActionClient::result_callback, this , _1); // 创建一个动作目标的消息 auto goal_msg = CustomAction::Goal(); goal_msg.enable = enable; // 异步方式发送动作的目标 RCLCPP_INFO( this ->get_logger(), "Client: Sending goal" ); this ->client_ptr_->async_send_goal(goal_msg, send_goal_options); } private : rclcpp_action::Client<CustomAction>::SharedPtr client_ptr_; // 创建一个服务器收到目标之后反馈时的回调函数 void goal_response_callback(GoalHandle::SharedPtr goal_message) { if (!goal_message) { RCLCPP_ERROR( this ->get_logger(), "Client: Goal was rejected by server" ); rclcpp::shutdown(); // Shut down client node } else { RCLCPP_INFO( this ->get_logger(), "Client: Goal accepted by server, waiting for result" ); } } // 创建处理周期反馈消息的回调函数 void feedback_callback( GoalHandle::SharedPtr, const std :: shared_ptr < const CustomAction::Feedback> feedback_message) { std :: stringstream ss; ss << "Client: Received feedback: " << feedback_message->state; RCLCPP_INFO( this ->get_logger(), "%s" , ss.str().c_str()); } // 创建一个收到最终结果的回调函数 void result_callback( const GoalHandle::WrappedResult & result_message) { switch (result_message.code) { case rclcpp_action::ResultCode::SUCCEEDED: break ; case rclcpp_action::ResultCode::ABORTED: RCLCPP_ERROR( this ->get_logger(), "Client: Goal was aborted" ); rclcpp::shutdown(); // 关闭客户端节点 return ; case rclcpp_action::ResultCode::CANCELED: RCLCPP_ERROR( this ->get_logger(), "Client: Goal was canceled" ); rclcpp::shutdown(); // 关闭客户端节点 return ; default : RCLCPP_ERROR( this ->get_logger(), "Client: Unknown result code" ); rclcpp::shutdown(); // 关闭客户端节点 return ; } RCLCPP_INFO( this ->get_logger(), "Client: Result received: %s" , (result_message.result->finish ? "true" : "false" )); rclcpp::shutdown(); // 关闭客户端节点 } }; // ROS2节点主入口main函数 int main( int argc, char * argv[]) { // ROS2 C++接口初始化 rclcpp::init(argc, argv); // 创建一个客户端指针 auto action_client = std ::make_shared<MoveCircleActionClient>(); // 发送动作目标 action_client->send_goal( true ); // 创建ROS2节点对象并进行初始化 rclcpp::spin(action_client); // 关闭ROS2 C++接口 rclcpp::shutdown(); return 0 ; } c. 命令行操作 $ ros2 action list # 查看服务列表 $ ros2 action info <action_name> # 查看服务数据类型 $ ros2 action send_goal < action_name > < action_type > < action_data > # 发送服务请求
参数是ROS2模块化封装的重要功能，可以利用全局参数可视化显示以及动态调整 默认情况下，某一个参数被修改后，使用它的节点并不会立刻被同步，ROS2提供了动态配置的机制，需要在程序中进行设置，通过回调函数的方法，动态调整参数
关于参数，具体可以看https://docs.ros.org/en/jazzy/Concepts/Basic/About-Parameters.html#parameters
DS的全称是Data Distribution Service，也就是数据分发服务，2004年由对象管理组织OMG发布和维护，是一套专门为实时系统设计的数据分发/订阅标准，最早应用于美国海军， 解决舰船复杂网络环境中大量软件升级的兼容性问题，现在已经成为强制标准。
DDS强调以数据为中心，可以提供丰富的服务质量策略，以保障数据进行实时、高效、灵活地分发，可满足各种分布式实时通信应用需求。
在命令行中配置DDS $ ros2 topic pub /chatter std_msgs/msg/ Int32 "data: 42" --qos-reliability best_effort $ ros2 topic echo /chatter --qos-reliability reliable $ ros2 topic echo /chatter --qos-reliability best_effort $ ros2 topic info /chatter --verbose #查看节点的Qos策略
分布式通信是解决使用一台计算机算力不足的情况 有几个实用的例子，也是我自己在使用的： 一台电脑运行执行器节点 另一台电脑读取数据并使用QT可视化数据 一台电脑运行节点 另一台使用rviz等等
