ROS 2从入门到精通系列（一）：什么是ROS2 - 核心概念和架构

本文是ROS2系列的第一篇，帮助你快速理解ROS2的核心概念和系统架构。

引言

如果你即将学习ROS2或者对机器人开发感兴趣，首先需要理解：什么是ROS2？

ROS（Robot Operating System）是一个灵活的框架，用于编写机器人软件。ROS2是其第二代版本，相比ROS1有重大改进。本文将从零开始，帮你建立起对ROS2的全面认识。

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一、什么是ROS2？

1.1 ROS2的定义

ROS2 是一个分布式计算框架，专门为机器人应用设计。它提供了：

• 硬件抽象 - 屏蔽各类传感器和执行器的底层差异
• 中间件 - 实现进程间通信（IPC）和跨机器通信
• 工具链 - 调试、可视化、模拟等开发工具
• 库和算法 - 常用机器人算法的参考实现

1.2 为什么是ROS2而不是ROS1？

ROS1已有15年历史，但在生产环境中存在局限：

特性	ROS1	ROS2
实时性	不支持硬实时	支持确定性实时调度
安全认证	无	DDS安全插件支持
通信中间件	定制TCPROS/UDPROS	标准DDS
跨平台	Linux主导	Linux/Windows/macOS
API稳定性	不稳定	向后兼容性承诺
生态维护	逐步停止	积极维护（至2025+）

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二、ROS2核心概念

2.1 节点（Node）

节点是ROS2中最小的计算单元，类似于一个独立的进程。

• 一个节点通常负责一项专门功能（如图像处理、电机控制等）
• 多个节点通过通信机制协调工作
• 节点可以用Python、C++、C#等多种语言编写

示例：
├── 图像采集节点 (camera_node)
├── 图像处理节点 (image_processor)
├── 目标检测节点 (detection_node)
└── 决策节点 (decision_node)

2.2 话题（Topic）

话题是节点间的异步通信通道，采用发布-订阅（Pub-Sub）模式。

数学表示：一个话题在时间 $t$ 上的消息流为：

M ( t ) = { m 1 ( t ) , m 2 ( t ) , . . . , m n ( t ) } M(t) = \{m_1(t), m_2(t), ..., m_n(t)\} M(t)={m1​(t),m2​(t),...,mn​(t)}

其中 $m_i(t)$ 是第 $i$ 个发布者在时间 $t$ 发送的消息

特点：

• 发布者和订阅者解耦，互不知道对方存在
• 支持一对多、多对一的通信关系
• 消息传输是异步的（非阻塞）

2.3 服务（Service）

服务是节点间的同步通信机制，采用请求-响应（Request-Response）模式。

通信公式：

$$\text{Response}=f(\text{Request})$$

一个服务调用的完整周期为：

$$T_{service}=T_{send\_req}+T_{process}+T_{send\_resp}$$

特点：

• 客户端发送请求，等待服务器响应（阻塞式）
• 一对一的同步通信
• 适合需要立即反馈的操作（如设置参数、查询状态）

2.4 动作（Action）

动作用于需要长时间执行的任务，提供目标、反馈和结果。

动作的数据结构：

Action = { Goal , Feedback , Result } \text{Action} = \{\text{Goal}, \text{Feedback}, \text{Result}\} Action={Goal,Feedback,Result}

时间关系：

$$T_{total}=T_{goal\_send}+T_{execution}+T_{result\_send}$$

特点：

• 客户端发送目标，服务器周期性发送反馈，最后返回结果
• 支持中途取消任务
• 适合机械臂移动、导航等长时间任务

2.5 消息（Message）

消息是节点间通信的数据载体。

消息由字段组成，每个字段有类型和名称：

# 示例消息定义 (sensor_msgs/Image.msg)
std_msgs/Header header
uint32 height
uint32 width
string encoding
uint8 is_bigendian
uint32 step
uint8[] data

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三、ROS2系统架构

3.1 整体架构图

3.2 通信模式对比

3.3 ROS2的DDS中间件

ROS2使用 DDS（Data Distribution Service） 作为通信中间件。

DDS的通信模型：

$$\text{数据}=\text{话题}+\text{发布者}+\text{订阅者}+\text{QoS策略}$$

QoS关键参数：

• 可靠性: P d e l i v e r y ∈ { BEST_EFFORT , RELIABLE } P_{delivery} \in \{\text{BEST\_EFFORT}, \text{RELIABLE}\} Pdelivery​∈{BEST_EFFORT,RELIABLE}
• 持久性: D p e r s i s t e n c e ∈ { VOLATILE , TRANSIENT_LOCAL , TRANSIENT , PERSISTENT } D_{persistence} \in \{\text{VOLATILE}, \text{TRANSIENT\_LOCAL}, \text{TRANSIENT}, \text{PERSISTENT}\} Dpersistence​∈{VOLATILE,TRANSIENT_LOCAL,TRANSIENT,PERSISTENT}
• 历史深度: $H_{depth}\in [1,\infty )$

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四、ROS2生态体系

4.1 发行版本线

• LTS版本（如Humble）：5年长期支持，生产环境推荐
• 标准版本（如Iron、Jazzy）：约3年支持期

4.2 常用工具链

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五、ROS2节点的生命周期

5.1 节点状态转移图

5.2 状态转移的数学模型

节点的状态可表示为：

$$\text{State}(t+1)=f(\text{State}(t),\text{Event})$$

其中：

• State ( t ) ∈ { Unconfigured, Inactive, Active, ErrorProcessing, Finalized } \text{State}(t) \in \{\text{Unconfigured, Inactive, Active, ErrorProcessing, Finalized}\} State(t)∈{Unconfigured, Inactive, Active, ErrorProcessing, Finalized}
• Event ∈ { configure, activate, deactivate, cleanup, error_recovery, shutdown } \text{Event} \in \{\text{configure, activate, deactivate, cleanup, error\_recovery, shutdown}\} Event∈{configure, activate, deactivate, cleanup, error_recovery, shutdown}

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六、一个简单的例子

6.1 系统架构图

6.2 核心概念映射

在这个移动机器人例子中：

组件	ROS2概念	说明
lidar_driver	节点	独立进程，负责LIDAR驱动
/raw_points	话题	LIDAR原始点云数据流
/filtered_points	话题	滤波后的点云数据
/obstacles	话题	检测到的障碍物信息
plan_path服务	服务	规划器提供的路径规划服务

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七、ROS2 vs ROS1：核心差异总结

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八、关键概念速记表

概念	定义	特点
节点	ROS2中最小的可执行单元	独立进程，可用多种语言编写
话题	异步通信通道	发布-订阅，一对多/多对一
服务	同步通信机制	请求-响应，一对一
动作	长时间任务通信	目标-反馈-结果，可取消
消息	通信数据载体	结构化数据，类型定义
DDS	通信中间件	标准化、跨平台、支持QoS
包(Package)	代码组织单位	包含节点、消息定义、配置

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九、学习路线提示

基于本文知识，你接下来应该学习：

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十、本文要点总结

✅ ROS2是什么：一个为机器人开发设计的分布式计算框架

✅ 5大核心概念：节点、话题、服务、动作、消息

✅ 通信机制：发布-订阅（异步）和请求-响应（同步）

✅ 技术优势：DDS中间件、实时支持、跨平台、安全认证

✅ 系统设计：分层架构、模块化、高度可扩展

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常见新手问题

Q1: ROS2相比ROS1，我应该学哪个？

A: 如果你是初学者，强烈推荐ROS2。ROS1已进入维护阶段，新项目应使用ROS2。

Q2: ROS2对硬件有什么要求？

A: ROS2本身很轻量，对硬件要求低。但具体应用（如SLAM、深度学习）可能需要更强硬件。

Q3: ROS2支持实时系统吗？

A: ROS2的DDS支持实时调度，但需要使用PREEMPT_RT实时Linux内核和配置合适的QoS策略。

Q4: 节点、话题、服务我应该怎么选择？

A:

• 话题：数据流、传感器数据 → 发布-订阅
• 服务：一次性请求、参数设置 → 请求-响应
• 动作：长时间任务、需要反馈和取消 → 目标-反馈-结果

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推荐资源

• 官方文档：https://docs.ros.org/en/humble/
• GitHub生态：https://github.com/ros2
• 中文社区：https://acolabs.org/

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下一篇预告：《ROS2从入门到精通系列（二）：环境搭建 - Ubuntu系统安装ROS2》

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