第 1 章 ROS 2 核心概念

学习目标

• 理解 ROS 2 的“图”式架构
• 说清节点、话题、服务、动作、参数各自的角色
• 知道什么时候该用话题、服务还是动作

1. ROS 2 是什么

ROS 2（Robot Operating System 2）是一套用于开发机器人软件的分布式通信框架。它不是一个操作系统，而是运行在操作系统（Linux/Windows/macOS）之上的一层软件框架，负责让机器人的各个“零件程序”互相通信、协同工作。

一个机器人系统里往往有几十个程序：控制底盘电机、读取激光雷达、做路径规划、处理摄像头画面……这些程序各自独立运行，又需要频繁交换数据。ROS 2 解决的问题就是：让这些程序能以统一、解耦的方式互相通信。

ROS 2 程序运行时构成一个“计算图”（Graph）。图的每个节点负责一小块功能，节点之间通过“边”连接来通信。

2. 节点（Node）

节点是 ROS 2 中执行计算的最小单元。每个节点通常只负责一个单一职责，例如：

• turtlesim 节点：模拟一只小乌龟
• turtle_teleop_key 节点：读取键盘输入
• 激光雷达驱动节点：读取传感器数据并发布

节点之间互相独立：一个节点崩溃不会拖垮整个系统，这就是“解耦”。多个节点还可以分布在多台电脑上，通过网络组建成一个更大的图。

┌─────────────┐    ┌─────────────┐    ┌─────────────┐
│  teleop 节点 │    │  turtlesim  │    │  其他节点…   │
└──────┬──────┘    └──────┬──────┘    └─────────────┘
       │   发布 /cmd_vel   │
       └──────────────────→│

3. 话题（Topic）

话题是节点之间单向、异步、多对多的数据通道。

• 发送方叫发布者（Publisher），发送的数据叫消息（Message）
• 接收方叫订阅者（Subscriber）
• 消息类型用固定的“接口定义”描述，例如 geometry_msgs/msg/Twist（线速度/角速度）

特点：

• 发布者发布消息时不需要知道谁在订阅，订阅者也不关心谁在发布
• 一个话题可以有多个发布者和多个订阅者
• 数据是持续流动的（例如传感器数据流）

典型场景：激光雷达数据、相机图像、底盘速度指令、里程计数据。

4. 服务（Service）

服务是节点之间一问一答的同步通信方式。

• 客户端（Client）发起请求（Request）
• 服务端（Server）处理并返回响应（Response）
• 一次性调用，调用完就结束

特点：

• 严格的一问一答，适合“查询/命令”类操作
• 响应是否到达是可以确认的

典型场景：查询电池电量、让乌龟瞬移（/spawn）、清空画布（/clear）。

5. 动作（Action）

动作是“长任务版的服务”，用于需要执行一段时间且可以取消、可以看到进度的任务。

一次动作调用包含三个阶段：

1. 目标（Goal）：告诉对方要做的事
2. 反馈（Feedback）：执行过程中持续收到进度
3. 结果（Result）：任务完成后的最终结果

特点：

• 长时间运行，可中途取消
• 执行期间持续反馈进度

典型场景：让机器人走到某个坐标点、让机械臂转到某个姿态。

6. 参数（Parameter）

参数是节点运行时可读取和修改的配置项。节点在启动时可以定义自己的参数（如背景色、速度上限），运行时通过命令行或其他节点修改，不必改代码。

例如 turtlesim 节点有背景色参数：background_r、background_g、background_b，运行中改掉，窗口立刻变色。

7. 命名空间（Namespace）

命名空间像文件夹一样，给节点和话题加一个前缀，避免不同机器人/模块之间的名字冲突。

例如两辆机器人同时运行，可以分别用 robot1/ 和 robot2/ 前缀区分：

/robot1/cmd_vel
/robot2/cmd_vel

话题、服务、参数等都可以位于命名空间下。名称最前面带 / 表示绝对路径。

8. 三种通信方式怎么选

通信方式	方向	持续时长	有无反馈	典型用途
话题	单向流动	持续	无	传感器数据、控制指令流
服务	一问一答	瞬时	只有结果	查询、触发一次性操作
动作	一问一答	长时间	有进度反馈、可取消	导航、机械臂运动

一句话总结：持续流动的数据用话题，一次性查询用服务，长时间可取消的任务用动作。

9. 补充：rclpy 与 rclcpp

ROS 2 的官方客户端库有两个主流版本：

• rclpy：Python 客户端库（本教程代码全部使用它）
• rclcpp：C++ 客户端库

两者功能完全对应，教程学会 Python 版后，换成 C++ 只是语法差异。

常见问题

问题	说明
节点、话题、服务有什么区别？	节点是“程序”，话题/服务/动作是“通信方式”，参数是“配置项”
一个节点能同时用多种通信方式吗？	能，实际节点经常既发话题又提供服务和动作
话题数据会丢失吗？	默认的 QoS 策略下，新订阅者只能收到订阅之后的消息，早期数据不会补发

练习题

1. 给下面的场景选择通信方式：a) 摄像头每秒发 30 帧图像；b) 查询机器人当前电量；c) 让机器人送一杯咖啡到 3 号桌。
2. 为什么机器人系统要把功能拆成多个节点，而不是写成一个巨型程序？
3. 假设两个团队各自开发机器人底盘和激光雷达驱动，他们分别该用话题还是服务来共享数据？为什么？