从实验1了解功能包到实验2熟练使用功能包，进入实验3定制优化各类功能包。

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什么是进阶？
从绘制直边蝴蝶到卷边蝴蝶。
https://blog.csdn.net/zhangrelay/article/details/128304209

绘制曲线的控制器如何设计呢？

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ROS2 Lyrical 实验3｜趣味无代码案例：Turtlesim 小乌龟探险（全程不用写一行代码！）

适配实验3工具进阶，初学者友好：直接用ROS2自带小乌龟仿真，不需要新建功能包、不用写C++/Python代码，只用ROS2命令 + rqt工具 + bag2，把实验3全部工具串起来。
场景：小乌龟在窗口里乱跑，我们充当观测工程师，监控小乌龟状态、看轨迹曲线、录制回放小乌龟运动，排查“小乌龟迷路”的问题。

前置准备（安装自带包，一般Lyrical桌面版自带）

# 终端1：启动小乌龟仿真
ros2 run turtlesim turtlesim_node
# 终端2：键盘控制小乌龟
ros2 run turtlesim turtle_teleop_key

选中终端2，按方向键，小乌龟就会移动。

实验3所有工具，围绕小乌龟（无代码）

1. rqt_graph：查看系统通信图

新开终端

ros2 run rqt_graph rqt_graph

画面：

• 两个节点：turtlesim_node（小乌龟模拟器）、turtle_teleop_key（键盘遥控器）
• 话题：/turtle1/cmd_vel（键盘下发速度指令）、/turtle1/pose（小乌龟实时位置坐标）

趣味理解：一张图看清谁在发指令、谁接收指令。按键盘方向键，观察图上数据流。

2. rqt_plot：实时绘制小乌龟运动轨迹曲线（最直观好玩）

ros2 run rqt_plot rqt_plot

在输入框添加话题字段：/turtle1/pose/x，/turtle1/pose/y

• x：小乌龟窗口横向坐标；y：纵向坐标
  操作：按住方向键移动小乌龟 → 窗口实时画出小乌龟走过位置的曲线！
  相当于实时GPS轨迹记录仪，小乌龟往哪爬，曲线就画到哪。
  

3. rqt_console + rqt_logger_level：查看小乌龟日志，调节日志等级

ros2 run rqt_console rqt_console
ros2 run rqt_logger_level rqt_logger_level

• rqt_console：小乌龟产生的日志在这里显示；比如小乌龟撞墙时会输出警告日志。
• rqt_logger_level：选中turtlesim_node，动态切换日志等级，打开DEBUG日志，看到小乌龟底层位置更新信息，不用重启小乌龟。

4. bag2录制小乌龟探险全过程，离线回放（亮点！）

1. 录制（移动小乌龟画一个圆圈）

ros2 bag record /turtle1/cmd_vel /turtle1/pose -o turtle_explore

移动小乌龟画一个圆，录制几秒后 Ctrl+C 停止录制。
2. 查看录制数据包信息

ros2 bag info turtle_explore

3. 回放：不用键盘操作！小乌龟自动重复刚才画圈动作

先关闭键盘控制节点 turtle_teleop_key，保留小乌龟仿真窗口打开

ros2 bag play turtle_explore

✨效果：小乌龟自动复刻刚才的移动路线，重新画出一模一样的圆圈！

趣味比喻：录下小乌龟的探险视频，回放时小乌龟自动重走一遍探险路线。哪怕关掉bag重放，你还可以用rqt_plot再次看到回放时的轨迹曲线。

5. rqt_tf_tree 查看小乌龟坐标变换（拓展）

ros2 run rqt_tf_tree rqt_tf_tree

查看world世界坐标系 和 turtle1小乌龟本体坐标系之间变换关系。小乌龟一动，坐标实时更新。

6. ros2 wtf 系统自检

ros2 wtf

自动检查当前ROS2系统有没有通信异常、节点、话题配置问题。

ros2@ros2-cslg:~$ ros2 wtf
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: opennav_docking_core has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: rosbag2_interfaces has been updated to a new version. local: 0.33.3 < latest: 0.33.4
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: nav2_behavior_tree has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: nav2_theta_star_planner has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: nav2_core has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: rosbag2_storage_default_plugins has been updated to a new version. local: 0.33.3 < latest: 0.33.4
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: dwb_plugins has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: nav2_controller has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: dwb_msgs has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: nav2_bt_navigator has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: nav2_smoother has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: opennav_following has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: nav2_util has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: nav2_constrained_smoother has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: opennav_docking_bt has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: nav2_route has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: nav2_navfn_planner has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: nav2_planner has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: dwb_core has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: navigation2 has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: nav2_rviz_plugins has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: nav2_mppi_controller has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: nav2_graceful_controller has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: mvsim has been updated to a new version. local: 1.4.0 < latest: 1.5.0
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: nav2_msgs has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: rosbag2_cpp has been updated to a new version. local: 0.33.3 < latest: 0.33.4
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: nav_2d_utils has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: rosbag2_storage has been updated to a new version. local: 0.33.3 < latest: 0.33.4
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: dwb_critics has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: nav2_rotation_shim_controller has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: rosbag2_transport has been updated to a new version. local: 0.33.3 < latest: 0.33.4
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: rosbag2_py has been updated to a new version. local: 0.33.3 < latest: 0.33.4
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: nav2_smac_planner has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: lz4_cmake_module has been updated to a new version. local: 0.33.3 < latest: 0.33.4
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: mcap_vendor has been updated to a new version. local: 0.33.3 < latest: 0.33.4
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: rosbag2 has been updated to a new version. local: 0.33.3 < latest: 0.33.4
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: rosbag2_examples_cpp has been updated to a new version. local: 0.33.3 < latest: 0.33.4
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: opennav_docking has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: nav2_behaviors has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: nav_2d_msgs has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: nav2_waypoint_follower has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: rosbag2_storage_sqlite3 has been updated to a new version. local: 0.33.3 < latest: 0.33.4
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: mola_demos has been updated to a new version. local: 3.2.0 < latest: 3.3.0
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: rosbag2_compression has been updated to a new version. local: 0.33.3 < latest: 0.33.4
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: nav2_ros_common has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: nav2_common has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: rosbag2_compression_zstd has been updated to a new version. local: 0.33.3 < latest: 0.33.4
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: nav2_regulated_pure_pursuit_controller has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: rosbag2_storage_mcap has been updated to a new version. local: 0.33.3 < latest: 0.33.4
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: nav2_voxel_grid has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: nav2_map_server has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: realtime_tools has been updated to a new version. local: 5.3.0 < latest: 5.4.0
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: nav2_system_tests has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: nav2_dwb_controller has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: nav2_simple_commander has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: nav2_amcl has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: zstd_cmake_module has been updated to a new version. local: 0.33.3 < latest: 0.33.4
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: nav2_lifecycle_manager has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: dataspeed_can_usb has been updated to a new version. local: 2.0.7 < latest: 2.0.8
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: nav2_loopback_sim has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: costmap_queue has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: rosbag2_examples_py has been updated to a new version. local: 0.33.3 < latest: 0.33.4
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: nav2_velocity_smoother has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: nav2_collision_monitor has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: ros2bag has been updated to a new version. local: 0.33.3 < latest: 0.33.4
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: mrpt_libros_bridge has been updated to a new version. local: 3.5.3 < latest: 4.0.0
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: nav2_costmap_2d has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/package.py: 129: UserWarning: nav2_bringup has been updated to a new version. local: 1.5.1 < latest: 1.5.2
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/__init__.py: 219: UserWarning: Fail to call PlatformCheck class functions.
/opt/ros/lyrical/lib/python3.14/site-packages/ros2doctor/api/topic.py: 42: UserWarning: Publisher without subscriber detected on /turtle1/color_sensor.

All 4 checks passed

软件源中的功能包有些滞后，如果需要最新1.5.2，需要自行编译源代码或者等上半个月左右的时间。

可选小故障演示（理解调试，无代码）

• 场景：bag回放小乌龟不动。
  排查：rqt_graph查看话题是否存在；检查回放QoS，或者确认是否关闭键盘控制节点。
• 场景：rqt_plot看不到曲线。
  排查：话题名称输错，确认/turtle1/pose/x。

实验现象总结（写报告）

1. rqt_graph可视化小乌龟仿真节点、键盘节点和话题之间通信关系，直观理解ROS2分布式通信。
2. rqt_plot实时绘制小乌龟的x/y位置曲线，移动小乌龟可以实时看到运动轨迹。
3. rqt_console捕获小乌龟运行日志，rqt_logger_level动态修改日志等级，无需重启仿真。
4. bag2录制小乌龟运动指令和位置数据；回放时小乌龟自动复现之前画圈运动，实现动作离线复现。
5. rqt_tf_tree观测世界与小乌龟本体坐标系变换；ros2 wtf检测系统通信状态。

思考题（适配小乌龟案例）

1. bag回放小乌龟的时候，为什么不需要运行键盘控制节点？

答：bag录制时保存了/turtle1/cmd_vel速度指令消息；回放时bag2程序会代替键盘节点发布速度消息，小乌龟收到消息就会运动。

2. rqt_plot查看 /turtle1/pose/x 和 /turtle1/pose/y，得到曲线代表什么？

答：小乌龟在仿真窗口内的实时坐标，曲线就是小乌龟移动的轨迹。

实验小结

本案例全程零代码，基于ROS2自带turtlesim小乌龟，完成实验3全部工具实操。不用关心C++/Python开发，专注掌握rqt可视化工具、日志工具、bag录制回放、系统自检等调试能力，非常适合初学者理解ROS2观测与调试。

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ROS2 Lyrical 实验3 趣味示例：【心跳发光机器人】

只用这一个例子，贯穿本次实验3全部工具（日志、rqt_graph、rqt_plot、bag2、GDB调试），好玩直观，替代枯燥的数字累加示例。

案例简介

虚拟机器人持续输出心跳信号：心跳频率随“机器人紧张程度”变化。

• 紧张值越高，心跳越快；
• 心跳信号输出正弦波形；
• 日志打印心跳状态，心跳过快触发警告日志；
• 我们用整套实验3工具观测、录制、回放心跳波形。

复用实验2的功能包 chapter2_exp2，新建节点 heartbeat_robot.cpp

1. 完整代码 heartbeat_robot.cpp

#include "rclcpp/rclcpp.hpp"
#include "std_msgs/msg/float64.hpp"
#include <cmath>

using namespace std::chrono_literals;

class HeartBeatRobot : public rclcpp::Node
{
public:
  HeartBeatRobot() : Node("heartbeat_robot"), tension_(0.0)
  {
    pub_ = this->create_publisher<std_msgs::msg::Float64>("/robot_heartbeat", 10);
    timer_ = this->create_wall_timer(100ms, std::bind(&HeartBeatRobot::timer_cb, this));
    RCLCPP_INFO_ONCE(this->get_logger(), "🤖 心跳机器人启动！");
  }

private:
  void timer_cb()
  {
    // 模拟紧张度缓慢上升
    tension_ += 0.02;
    if(tension_ > 3.0) tension_ = 0.0;

    // 心跳正弦信号
    double heartbeat = sin(tension_ * 2.0);

    std_msgs::msg::Float64 msg;
    msg.data = heartbeat;
    pub_->publish(msg);

    // 分级日志
    RCLCPP_DEBUG(this->get_logger(), "原始心跳值：%.2f", heartbeat);
    RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "心跳信号：%.2f，紧张度：%.2f", heartbeat, tension_);

    // 心跳过高，限频警告，每2秒打印一次
    if (tension_ > 2.0)
    {
      RCLCPP_WARN_THROTTLE(this->get_logger(), this->get_clock(), 2000,
        "⚠️机器人紧张！心跳过快！");
    }
  }

  rclcpp::Publisher<std_msgs::msg::Float64>::SharedPtr pub_;
  rclcpp::TimerBase::SharedPtr timer_;
  double tension_;
};

int main(int argc, char * argv[])
{
  rclcpp::init(argc, argv);
  rclcpp::spin(std::make_shared<HeartBeatRobot>());
  rclcpp::shutdown();
  return 0;
}

2. CMakeLists.txt 添加编译规则

add_executable(heartbeat_robot src/heartbeat_robot.cpp)
ament_target_dependencies(heartbeat_robot rclcpp std_msgs)
install(TARGETS
  heartbeat_robot
  DESTINATION lib/${PROJECT_NAME}
)

编译：

cd ~/lyrical_ws
colcon build --packages-select chapter2_exp2
source install/setup.bash

3. 实验3全部工具，围绕这个心跳机器人演示

✅ 任务1：日志系统（rqt_console / rqt_logger_level）

ros2 run chapter2_exp2 heartbeat_robot
ros2 run rqt_console rqt_console
ros2 run rqt_logger_level rqt_logger_level

效果：

• 紧张度低：INFO打印心跳；DEBUG隐藏；
• 紧张度>2.0：自动弹出黄色警告 ⚠️机器人紧张！心跳过快！；
• 在rqt_logger_level打开DEBUG级别，立刻看到底层原始心跳数值，不用重启机器人节点。

✅ 任务2：rqt_graph 看通信图

ros2 run rqt_graph rqt_graph

看到节点 heartbeat_robot 发布话题 /robot_heartbeat，可视化机器人心跳数据流。

✅ 任务3：rqt_plot 绘制心跳波形（最有趣！）

ros2 run rqt_plot rqt_plot /robot_heartbeat/data

弹出窗口，实时画出正弦心跳曲线，就像医院心电监护仪！紧张度升高，波形变化。

✅ 任务4：bag2录制心跳，离线回放心电波形

#录制心跳数据
ros2 bag record /robot_heartbeat -o heartbeat_bag
#录制一段时间后 Ctrl+C停止
ros2 bag info heartbeat_bag

#关闭心跳机器人节点，回放数据包，波形复现！
ros2 bag play heartbeat_bag

亮点：关掉机器人，rqt_plot依然能看到一模一样的心电波形，相当于保存机器人的“心跳病历”，离线复盘。

✅ 任务5：GDB小演示（制造bug）

修改代码，加一行空指针模拟机器人崩溃：

// 在timer_cb内部添加
int *p = nullptr;
*p = 10;

编译运行，节点直接崩溃。用gdb启动，查看崩溃堆栈，定位机器人“猝死”的代码行。

4. 实验现象总结（写报告用）

启动心跳机器人后：

1. 终端持续输出心跳数值与紧张度；紧张度超过阈值，周期性警告日志；rqt_console按颜色区分INFO/WARN/DEBUG。
2. rqt_graph可以看到心跳节点和话题。
3. rqt_plot实时绘制正弦心电波形，直观看到心跳周期性变化。
4. bag2录制心跳数据；关闭原节点回放，心电波形完全复现，实现离线分析。
5. 人为添加空指针bug，使用GDB捕获崩溃堆栈，定位程序故障。

5. 思考题（适配这个例子）

1. 当机器人紧张度持续大于2.0，为什么警告信息不会疯狂刷屏？

答：代码使用RCLCPP_WARN_THROTTLE限频日志，限制每2秒输出一次警告，避免日志风暴。

2. bag录制心跳信号有什么用处？

答：保存机器人心跳波形，后续可以脱离机器人节点反复回放波形，用于分析机器人紧张状态，类似保存心电记录。

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ROS2‑Lyrical 实验3：工具进阶——定制优化各类功能包

实验递进关系：实验1了解功能包信息（只读查询）→实验2熟练使用功能包（创建、编译、开发节点、通信机制）→实验3工具进阶，利用全套调试可视化工具，对自研功能包做调试、观测、性能调优、离线复现，完成功能包的定制与工程优化。
适配环境：Ubuntu 26.04(Resolute)、ROS2 Lyrical Luth；桌面完整版（rqt全套、rviz2、rosbag2、turtlesim、诊断工具）
前置实验：实验1 ROS2系统入门；实验2 架构与核心（自建C++功能包、话题/服务/Action、自定义消息、launch文件）。

一、实验基本信息

实验目的（知识+实操+工程素养）

知识目标

1. 掌握ROS2 Lyrical全套调试观测工具链，理解DDS去中心化架构下调试工具的工作原理，对比ROS1 roscore时代调试工具差异。
2. 理解分级日志系统5个日志等级（DEBUG/INFO/WARN/ERROR/FATAL），掌握编译、静态配置、运行时动态修改三种日志控制方式。
3. 理解底层调试GDB、Valgrind、core‑dump的适用场景；掌握rqt系列可视化工具、RViz2、TF2、bag2数据录制回放的原理。
4. 掌握系统自检、机器人诊断监控手段，学会定位通信异常、内存泄漏、参数异常、节点崩溃类问题。

实操目标

1. 在实验2自建功能包基础上，添加分级日志代码，分别使用命令行、配置文件、rqt_console/rqt_logger_level管控日志输出。
2. 掌握GDB、Valgrind通过launch_prefix方式调试C++节点；配置core转储实现崩溃后离线分析。
3. 使用rqt_graph、rqt_top、rqt_topic观测自研节点计算图、CPU内存、话题频率带宽；使用rqt_reconfigure为自定义节点增加动态参数回调。
4. 使用rqt_plot观测标量时序数据；掌握rqt_tf_tree查看坐标变换树；掌握bag2录制、回放、数据分析，实现算法离线复现。
5. 使用roswtf、colcon‑lint做功能包编译与运行时自检；掌握rqt_gui一体化自定义工作布局。

工程素养目标

建立机器人软件可观测性思维：开发不只是写代码，更要具备日志记录、状态观测、故障定位、离线复现的工程能力；养成“开发‑调试‑观测‑复现”闭环开发习惯，为实体机器人调试打下基础。

实验预习要点

1. ROS2无中心化Master，所有调试工具本身就是普通DDS节点，依靠节点自动发现获取系统状态，不需要roscore。
2. 日志五级等级：DEBUG(调试)、INFO(普通信息)、WARN(警告不崩溃)、ERROR(功能故障可恢复)、FATAL(致命，节点退出)。
3. bag2是ROS2数据包，替代ROS1 bag，支持SQLite3存储、压缩；可以录制话题，脱离真实硬件复现全部传感器数据流。
4. rqt_reconfigure动态参数：节点必须代码注册回调，默认节点不支持动态修改参数，不是工具故障。
5. core dump：程序崩溃操作系统保存内存镜像，事后gdb离线分析，适合现场偶现崩溃问题排查。

ROS1与ROS2调试工具简要对比

项目	ROS1 Noetic	ROS2 Lyrical
运行依赖	需要roscore	DDS自动发现，无需主节点
日志底层	log4cxx	rcl内置日志，支持运行时切换日志后端
数据包	bag	bag2，多存储后端、分片压缩
动态参数	dynamic_reconfigure	dynamic_reconfigure，C++需注册回调
图形框架	rqt	rqt重构，适配DDS统计信息输出

二、实验原理

1. 底层调试原理：ROS2节点本质是独立Linux可执行程序，可以直接复用GDB、Valgrind等Linux原生调试工具；launch文件的launch_prefix可以给可执行程序包装调试器，新开终端挂载调试会话；core‑dump由操作系统内核在程序崩溃时生成内存快照，供事后离线回溯堆栈。
2. 分级日志系统：rclcpp/rclpy内置日志模块，日志可以编译期屏蔽、配置文件静态设置、运行时GUI动态修改；支持条件输出、限频输出、单次输出，减少无效打印。
3. rqt工具集原理：全部基于DDS话题、服务、参数接口采集系统运行时信息；rqt_graph通过话题统计获取节点‑话题‑服务拓扑；rqt_top读取进程状态；rqt_plot订阅话题提取数值字段绘图。
4. bag2录制回放原理：录制阶段订阅指定话题，把消息序列化存入本地存储；回放阶段模拟发布者，把存储的消息按原始时间戳重新发布到DDS，实现离线复现传感器数据。
5. 系统诊断Diagnostic：标准化消息diagnostic_msgs/msg/DiagnosticArray，各个硬件/节点上报自身健康状态，聚合后可视化，用于电机、电池、传感器故障监控。

三、实验内容与详细步骤

前置：复用实验2自建工作空间~/lyrical_ws，基于chapter2_exp2功能包继续开发。

任务1：ROS2分级日志系统实操（必做）

修改实验2的C++发布节点，增加完整日志宏。

1. 修改publisher.cpp，增加命名日志、条件输出、限频输出、单次输出。

#include "rclcpp/rclcpp.hpp"
#include "chapter2_exp2/msg/custom_data.hpp"
using namespace std::chrono_literals;

class CustomPublisher : public rclcpp::Node
{
public:
 CustomPublisher() : Node("custom_publisher")
 {
 pub_ = this->create_publisher<chapter2_exp2::msg::CustomData>("custom_topic", 10);
 timer_ = this->create_wall_timer(500ms, std::bind(&CustomPublisher::timer_callback, this));
 sub_logger_ = this->get_logger().get_child("sensor_module"); //子命名日志器
 }
private:
 void timer_callback()
 {
 chapter2_exp2::msg::CustomData msg;
 msg.num_a = 1;
 msg.num_b = 2;
 msg.num_c = msg.num_a + msg.num_b;

 RCLCPP_DEBUG(get_logger(),"调试信息，发布数据");
 RCLCPP_INFO(get_logger(),"Publishing a=%d,b=%d,c=%d",msg.num_a,msg.num_b,msg.num_c);
 RCLCPP_WARN_THROTTLE(get_logger(),2000,"警告：模拟限频打印，每2秒一次");
 RCLCPP_INFO_ONCE(get_logger(),"该消息只会打印一次");
 RCLCPP_INFO_COND(sub_logger_, msg.num_c>0,"条件输出：c大于0");

 pub_->publish(msg);
 }
 rclcpp::Publisher<chapter2_exp2::msg::CustomData>::SharedPtr pub_;
 rclcpp::TimerBase::SharedPtr timer_;
 rclcpp::Logger sub_logger_;
};

int main(int argc, char * argv[])
{
 rclcpp::init(argc, argv);
 rclcpp::spin(std::make_shared<CustomPublisher>());
 rclcpp::shutdown();
 return 0;
}

2. 编译

cd ~/lyrical_ws
colcon build --packages-select chapter2_exp2
source install/setup.bash

3. 方式一：rqt_console图形查看日志

ros2 run rqt_console rqt_console
ros2 run chapter2_exp2 publisher

观察窗口不同等级颜色输出，支持过滤、保存日志文件。
4. 方式二：rqt_logger_level动态修改日志等级

ros2 run rqt_logger_level rqt_logger_level

选择custom_publisher及其子日志器sensor_module，切换DEBUG/INFO等级，无需重启节点立刻生效。
5. 方式三：配置文件静态设置日志等级
新建config/logger.config

log_level.chapter2_exp2=INFO
log_level.chapter2_exp2.sensor_module=DEBUG

修改launch文件，注入环境变量RCLCPP_LOG_CONFIG加载配置，启动节点观察日志输出变化。

任务2：底层调试工具GDB / Valgrind / core‑dump（必做）

提示：制造简单空指针异常用于调试演示。

1. 方法1：终端直接gdb启动可执行程序

cd ~/lyrical_ws/install/lib/chapter2_exp2
gdb publisher
(gdb) r #运行程序，触发崩溃
(gdb) bt #打印调用栈，定位崩溃代码行

2. 方法2：通过launch文件挂载GDB（推荐，新开xterm终端）
   编写debug_gdb.launch.py

from launch import LaunchDescription
from launch_ros.actions import Node
def generate_launch_description():
 return LaunchDescription([
 Node(
 package="chapter2_exp2",
 executable="publisher",
 name="custom_publisher",
 output="screen",
 launch_prefix="xterm -e gdb --args"
 )
 ])

运行：

colcon build --packages-select chapter2_exp2
source install/setup.bash
ros2 launch chapter2_exp2 debug_gdb.launch.py

3. Valgrind内存泄漏检测，修改launch_prefix

launch_prefix="valgrind --leak-check=full xterm -e"

启动后观测内存访问、泄漏报告。
4. core dump配置，用于事后离线分析崩溃

ulimit -c unlimited
echo 1 | sudo tee /proc/sys/kernel/core_uses_pid

节点崩溃后生成core.<pid>，事后分析：

gdb ./publisher core.12345
(gdb) bt

任务3：rqt系统观测工具集实操（必做）

保持publisher、subscriber两个节点运行。

1. rqt_graph 通信拓扑可视化

ros2 run rqt_graph rqt_graph
#开启带宽频率统计
ros2 param set /rqt_graph enable_statistics true

观察custom_publisher、custom_subscriber节点、话题custom_topic连接关系，观察消息带宽、发布频率；断开话题、修改消息类型，观察标红异常提示。
2. rqt_top 进程资源监视器

ros2 run rqt_top rqt_top

查看两个节点PID、CPU占用、内存占用。
3. rqt_topic话题监视器

ros2 run rqt_topic rqt_topic

监控custom_topic消息结构、发布频率、带宽。
4. rqt_plot标量时序绘图
提取消息字段绘制时序曲线

ros2 run rqt_plot rqt_plot /custom_topic/data.num_a:/custom_topic/data.num_c

切换绘图后端（Matplotlib / PyQtGraph / Qwt），观察数值随时间变化曲线。
5. rqt_reconfigure动态参数拓展（拓展）
给自定义C++节点添加dynamic_reconfigure回调，编译后，运行

ros2 run rqt_reconfigure rqt_reconfigure

GUI修改节点参数，节点不重启即可获取参数更新。

任务4：bag2数据包录制、回放与数据分析（核心必做）

1. 录制话题数据

#录制custom_topic话题
ros2 bag record /custom_topic -o exp3_bag
#查看bag信息
ros2 bag info exp3_bag

2. 回放数据包（关闭原来publisher节点）

#0.8倍速回放
ros2 bag play exp3_bag --rate 0.8

订阅者节点可以收到回放发布出来的消息，实现脱离原发布节点复现数据。
3. rqt_bag2图形化查看bag包

ros2 run rqt_bag2 rqt_bag2

加载bag包，时间轴查看话题，查看原始消息内容。

任务5：系统自检与诊断监控（选做）

1. roswtf系统故障扫描

ros2 wtf

输出静态包检查、运行时DDS图检查，识别环境变量、依赖、DDS通信异常。
2. colcon‑lint编译配置文件校验

sudo apt install ros‑lyrical‑colcon‑lint
colcon lint --packages-select chapter2_exp2

检查package.xml、CMakeLists.txt依赖缺失、语法、命名规范问题。
3. rqt_gui一体化集成界面

ros2 run rqt_gui rqt_gui

把rqt_console、rqt_graph、rqt_plot等多个插件放在同一窗口，保存布局perspective配置文件。

任务6：TF2坐标系可视化拓展（拓展选做）

如果有TF相关demo节点，运行：

ros2 run rqt_tf_tree rqt_tf_tree

查看frame父子关系，观测变换延时，排查坐标错位。

四、实验现象与结果

1. 日志系统：rqt_console可以区分不同等级日志颜色；rqt_logger_level切换等级，DEBUG日志可以动态打开关闭，无需重启节点；配置文件加载后日志等级符合配置设定。
2. 底层调试：GDB触发崩溃后，bt可以打印调用栈，定位源码行号；Valgrind输出内存读写、泄漏报告；core文件生成成功，gdb可离线回溯崩溃堆栈。
3. rqt观测工具：
   • rqt_graph可以清晰看到自研节点‑话题拓扑，开启统计后显示消息频率带宽；异常连接标红。
   • rqt_top可以看到节点CPU、内存资源占用。
   • rqt_plot成功绘制消息字段时序曲线。
4. bag2数据包：录制成功；ros2 bag info显示话题、消息数量、时长；回放时订阅节点正常接收数据；rqt_bag2图形界面可浏览时间轴与消息。
5. 系统自检：ros2 wtf输出系统警告与错误；colcon lint输出功能包配置规范检查结果；rqt_gui可以自定义多插件布局并保存。

常见故障排查（Ubuntu26.04 + ROS2 Lyrical）

1. rqt_logger_level修改等级无效：节点没有对应命名日志；环境变量冲突。
2. gdb+launch_prefix xterm不弹出：没有安装xterm，执行sudo apt install xterm。
3. bag2回放，订阅者收不到消息：QoS策略不匹配；话题名称拼写错误。
4. rqt_reconfigure看不到自定义节点：C++代码没有注册dynamic_reconfigure回调，不是bug，节点默认不支持动态参数。
5. core文件不生成：ulimit -c unlimited只对当前终端会话生效，新开终端需要重新设置。

五、实验思考题（含参考答案，可直接写实验报告）

1. ROS2相比ROS1，调试工具最大架构变化是什么？

答：ROS1依赖中心化roscore；ROS2全部调试工具作为普通DDS节点，依靠分布式节点自动发现，不需要主节点；支持单机、多机跨机器调试观测系统状态。

2. DEBUG等级日志在产品发布版本如何屏蔽？有哪三种控制日志等级的方式？

答：编译时CMake定义RCLCPP_MIN_SEVERITY屏蔽DEBUG；配置文件静态加载；运行时通过rqt_logger_level动态修改日志等级。

3. GDB、Valgrind、core dump三者分别适合排查哪一类bug？

答：GDB：现场断点调试，复现问题时打断点看堆栈；Valgrind：内存泄漏、野指针、越界访问；core dump：偶现崩溃，无法现场复现，事后离线分析崩溃快照。

4. bag2数据包有什么工程价值？什么时候优先使用bag2？

答：录制传感器/控制话题数据，可以脱离真实硬件回放复现全部数据流；适合算法开发、问题复现、离线调参；硬件不方便反复运行、现场偶现bug，优先录制bag用于实验室复现。

5. rqt_reconfigure动态参数有什么工程价值？自定义C++节点直接打开工具看不到节点参数，是什么原因？

答：运行时修改参数不需要重启节点，调试PID、传感器滤波参数效率高；自定义节点必须代码注册dynamic_reconfigure回调函数，节点默认不启用动态参数，不是工具故障。

6. ros2 wtf与colcon lint有什么区别？

答：colcon lint属于编译期检查，校验package.xml、CMakeLists.txt配置语法、依赖；ros2 wtf是运行时检查，检测DDS通信、环境变量、节点运行状态。

六、实验总结

本实验承接实验2，在自建功能包基础上完整实践ROS2‑Lyrical全套调试、观测、可视化工具链。

1. 掌握分级日志系统三种配置方式，学会日志的合理打印与过滤。
2. 掌握Linux原生调试工具GDB、Valgrind、core‑dump，定位C++节点崩溃、内存问题。
3. 熟练使用rqt系列工具集观测计算图拓扑、进程资源、话题数据、标量时序曲线；理解DDS去中心化调试机制。
4. 掌握bag2录制回放，实现机器人数据流离线复现，建立“录制‑回放‑分析”的调试流程。
5. 掌握系统自检工具，学会从编译阶段、运行时两个维度排查功能包问题。

通过本实验建立机器人软件可观测性工程思维，不再只看程序是否跑通，学会观测节点状态、消息数据流、资源占用，为后续URDF、TF2、RViz2、导航综合实验打好调试基础。

后续实验预告：实验4 URDF机器人建模与Gazebo Garden仿真。