ROS 2 Humble 学习记录：现代机器人开发工具链

ROS 2 是机器人开发的新一代基础设施，解决了 ROS 1 在实时性、安全性和多机通信上的诸多局限。这份 165 页的学习记录从节点与功能包讲起，覆盖完整通信机制与工具链，最后延伸到 URDF 建模与 Gazebo 仿真。

学习路线

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ROS 2 基础
    ├── 机器人、ROS 2 本质、ROS 1 与 ROS 2 对比
    ├── 系统架构、发行版、通信机制和调试工具
    └── Linux、VS Code、Git、Python、C++ 和环境变量
            ↓
节点与功能包
    ├── Python 节点和 C++ 节点
    ├── rclpy、rclcpp、日志和节点生命周期
    ├── ament_python、ament_cmake 和 colcon 工作空间
    └── 面向对象、多线程和回调函数
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ROS 2 通信
    ├── Topic 发布与订阅
    ├── Service 客户端与服务端
    ├── 自定义消息、服务接口和参数
    └── Launch 多节点启动与配置
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机器人工具链
    ├── TF 静态与动态坐标变换
    ├── rqt、RViz2 和 ros2 bag
    ├── URDF、Xacro 和机器人模型可视化
    └── Gazebo 仿真基础

核心概念

内容概览

节点与功能包

• 分别用 Python（rclpy）和 C++（rclcpp）编写最小节点，理解初始化与日志；
• 用 ament_python 和 ament_cmake 组织功能包，理解 package.xml、setup.py 与 CMakeLists.txt 的职责；
• 使用 colcon build 构建工作空间并加载 install/setup.bash；
• Python 和 C++ 中的多线程与回调函数实践。

话题与服务

• 用 geometry_msgs/msg/Twist 控制 Turtlesim 前进、旋转、画圆，订阅位姿实现闭环控制；
• 趣味实践：通过话题传输小说文本并用 espeak-ng 转语音，用 psutil 获取系统状态共享数据，用 Qt 显示订阅到的数据；
• 自定义消息与服务接口：Python 实现人脸检测服务、C++ 实现巡逻海龟服务；
• 参数声明、参数事件、YAML 配置加载，Launch 文件启动多节点并传递参数。

工具链

• TF 坐标树：Python 发布机械臂底座到相机的静态 TF，C++ 发布地图坐标系的静态与动态 TF 并查询关系；
• rqt / rqt_tf_tree 检查节点、话题和 TF 树，RViz2 显示坐标变换与机器人状态；
• ros2 bag record 记录话题数据并回放测试。

仿真入门

• 创建 ROS 2 描述功能包，使用 URDF 描述机器人连杆、关节与结构；
• urdf_to_graphviz 生成模型结构图，RViz2 加载显示机器人模型；
• 使用 Xacro 简化和复用 URDF，建立 Gazebo 仿真基础。

常用命令速查

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# 环境加载
source /opt/ros/humble/setup.bash
colcon build && source install/setup.bash

# 节点与话题
ros2 node list
ros2 topic echo /turtle1/pose
ros2 interface show geometry_msgs/msg/Twist

# 服务与参数
ros2 service list -t
ros2 param set /turtlesim background_r 255

# 工具
rqt && rviz2
ros2 bag record /turtle1/cmd_vel

工程注意事项

• 修改 package.xml、setup.py 或 CMakeLists.txt 后，应重新执行 colcon build 并重新 source install/setup.bash；
• Topic 的名称、消息类型、QoS 配置需要保持一致；
• 自定义 .msg、.srv 接口变更后，应重新生成接口并检查所有依赖节点；
• TF 查询依赖正确的父子坐标系、时间戳和 TF 发布器；
• 多线程回调需要明确共享数据、线程退出和资源同步策略。

推荐实践顺序

1. 安装 ROS 2 后运行 Turtlesim、键盘控制和 rqt，确认基础环境可用；
2. 分别用 Python 和 C++ 编写最小节点，理解 rclpy 与 rclcpp；
3. 创建两类功能包，通过 Turtlesim 学习 Topic 的发布、订阅与闭环控制；
4. 使用自定义消息和服务接口，理解接口生成与服务端/客户端；
5. 学习参数、Launch、TF、RViz2 和 ros2 bag；
6. 最后用 URDF、Xacro 和 Gazebo 建立建模与仿真基础。

仓库

• ros2-robotics-learning-notes