ROS2 学

一、学习

最近开始系统学习 ROS2，主要目的是为后续机器人软件开发和嵌入式方向实习做准备。

计划通过一个完整的移动机器人底盘控制项目，将 Linux、C++、ROS2、STM32、FreeRTOS、串口通信和 PID 控制等知识结合起来。

由于目前没有实际机器人硬件，所以决定先在虚拟机中搭建 ROS2 开发环境，通过模拟程序学习 ROS2 的基本概念和通信机制，后续再逐步接入 STM32。

本次使用的开发环境：

项目	配置
主操作系统	Windows 11
虚拟机	VMware Workstation
Linux 系统	Ubuntu 26.04.1 LTS
系统代号	Resolute
系统架构	x86_64 / amd64
ROS2 版本	ROS 2 Lyrical
磁盘容量	80GB
软件包镜像	阿里云 ROS2 镜像

二、虚拟机环境准备

1. Ubuntu 系统安装

在 Windows 11 上安装 VMware Workstation，通过 Ubuntu 26.04.1 LTS ISO 镜像创建虚拟机。

最开始给虚拟机分配的磁盘空间只有 20GB。考虑到后续需要安装 ROS2、编译工具、C++ 开发环境以及其他机器人开发依赖，决定将虚拟机磁盘扩展至 80GB。

2. 扩展虚拟机磁盘

首先在 VMware 设置中将虚拟硬盘容量扩展到 80GB。

然后进入 Ubuntu，检查磁盘：

lsblk
df -h /

发现虽然虚拟硬盘已经变成 80GB，但 Ubuntu 根分区仍然只有 20GB，因此还需要扩展分区和文件系统。

安装并检查 growpart：

sudo apt update
sudo apt install -y cloud-guest-utils

扩展第二个分区：

sudo growpart /dev/sda 2

扩展 ext4 文件系统：

sudo resize2fs /dev/sda2

最后再次检查：

df -h /

成功将根分区扩展到约 79GB，可用空间约 65GB。

三、安装 ROS2 Lyrical

1. 检查 Ubuntu 环境

首先确认系统版本：

lsb_release -a

查看系统架构：

dpkg --print-architecture

检查字符编码：

locale charmap

本机检查结果：

• Ubuntu 26.04.1 LTS

• amd64

• UTF-8

2. 更新系统并安装基础工具

sudo apt update
sudo apt upgrade -y

安装 curl 和 gnupg：

sudo apt install -y curl gnupg

3. 配置 ROS2 软件源

考虑到直接使用国外软件源可能下载较慢，因此选择国内镜像。

下载 ROS2 官方密钥：

curl -fL --retry 3 \
https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/rosdistro/ros.key \
-o /tmp/ros.key

检查密钥指纹：

gpg --show-keys --with-fingerprint /tmp/ros.key

随后配置 ROS2 软件源，使用阿里云镜像。

配置完成后更新软件包索引：

sudo apt update

检查 ROS2 Lyrical Desktop 是否存在可安装版本：

apt-cache policy ros-lyrical-desktop

成功查询到 ROS2 Lyrical 对应的软件包版本。

4. 安装并配置 ROS2

完成软件源配置后安装 ROS2 Lyrical Desktop。

安装完成后，在终端执行：

source /opt/ros/lyrical/setup.bash

检查 ROS2 命令：

ros2 --help

查看 ROS2 发行版：

printenv ROS_DISTRO

输出：

lyrical

至此，ROS2 Lyrical 已经能够正常使用。

四、ROS2 开发工具与 rosdep

ROS2 安装完成，并不意味着所有开发工具都已经准备好。

ROS2 开发还会用到一些辅助工具：

• rosdep：管理和安装依赖。

• colcon：构建 ROS2 工作空间。

• vcstool：管理多个代码仓库。

• CMake：C++ 项目构建工具。

• g++：C++ 编译器。

其中 rosdep 主要用于处理项目依赖。

检查 rosdep 版本：

rosdep --version

本次检查得到：

0.27.0

检查默认配置：

ls /etc/ros/rosdep/sources.list.d/

可以看到：

20-default.list

说明已经存在 rosdep 默认源配置。

后续还需要继续检查和完善 colcon、C++ 编译器等开发工具。

五、ROS1 和 ROS2 有什么区别？

今天学习 ROS2 时，首先遇到的一个问题就是：

为什么 ROS1 需要启动 roscore，而 ROS2 不需要？

1. ROS1 的通信机制

ROS1 使用 ROS Master 管理节点注册和发现。

启动 ROS1 程序时，通常需要先执行：

roscore

ROS Master 负责帮助节点发现彼此。

2. ROS2 的通信机制

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

DDS 提供分布式发现和数据通信机制，节点能够自动发现符合条件的通信参与者，不再需要 ROS1 那样的中心 Master。

因此，ROS2 不需要启动：

roscore

常用命令也有所变化：

ROS1	ROS2
roscore	不需要
rosrun	ros2 run
roslaunch	ros2 launch
ROS Master	DDS 分布式发现与通信

3. 如何理解 DDS？

可以把机器人系统想象成一家公司：

• Node：公司的员工。

• Topic：员工之间的消息频道。

• DDS：公司的内部通信网络和自动通讯录。

• ROS2：组织和管理整套机器人软件的框架。

DDS 主要负责节点发现、通信匹配和数据传输。

需要注意，DDS 不是一个网站，也不是一个中心服务器，而是底层通信中间件。

六、ROS2 的几个核心概念

ROS2 中最重要的基础概念包括 Node、Topic、Service 和 Action。

1. Node（节点）

Node 是 ROS2 中的基本功能单元。

例如，一个移动机器人可以包含：

• 摄像头节点：采集图像。

• 视觉识别节点：识别障碍物。

• 电机控制节点：控制电机。

• 导航节点：规划运动路线。

每个节点负责自己的功能，多个节点组合起来构成完整的机器人系统。

2. Topic（话题）

Topic 是节点之间进行持续数据传输的一种方式。

采用发布者（Publisher）和订阅者（Subscriber）模式。

例如：

摄像头节点不断发布图像数据，视觉识别节点订阅图像数据并进行处理。

3. Service（服务）

Service 采用请求与响应的通信模式。

例如，向机器人发送一个请求：

请求：打开摄像头

机器人处理后返回：

响应：摄像头已打开

适合执行相对简短的请求操作。

4. Action（动作）

Action 适合执行持续时间较长的任务。

例如：

目标：让机器人移动到前方 5 米的位置

机器人在执行过程中可以反馈进度，也可以在适当情况下取消任务。

三种通信方式的区别：

通信方式	特点	应用场景
Topic	持续发布和订阅	传感器数据、速度指令
Service	请求与响应	查询状态、重置参数
Action	长时间任务、反馈进度	导航、机械臂运动

七、运行 ROS2 第一个通信案例

安装完成后，不能只看命令能否运行，还需要实际测试节点之间能否通信。

ROS2 自带了一些演示程序，其中最经典的就是 Talker 和 Listener。

1. 启动发布者 Talker

打开第一个终端：

source /opt/ros/lyrical/setup.bash

ros2 run demo_nodes_cpp talker

运行后可以看到类似输出：

[INFO] [talker]: Publishing: 'Hello World: 1'
[INFO] [talker]: Publishing: 'Hello World: 2'
[INFO] [talker]: Publishing: 'Hello World: 3'

Talker 节点会不断发布消息。

2. 启动订阅者 Listener

再打开第二个终端：

source /opt/ros/lyrical/setup.bash

ros2 run demo_nodes_py listener

运行后可以看到：

[INFO] [listener]: I heard: [Hello World: 1]
[INFO] [listener]: I heard: [Hello World: 2]
[INFO] [listener]: I heard: [Hello World: 3]

Listener 成功接收到了 Talker 发布的消息。

3. 实验结果

两个终端分别运行发布者和订阅者，能够持续看到消息发布与接收。

这说明：

1. ROS2 环境已经能够正常运行。

2. ROS2 节点可以正常启动。

3. 发布者能够向 Topic 发布消息。

4. 订阅者能够接收对应消息。

5. DDS 通信机制能够支持节点之间的数据交换。

至此，完成了 ROS2 的第一个基础通信实验。

八、下一步学习计划

本次学习主要完成了 ROS2 环境搭建、基本概念理解和通信测试。

接下来准备按照实际项目开发的需求继续学习。

阶段	学习内容	目标
第一阶段	Node、Topic、Service、Action	理解 ROS2 基本通信机制
第二阶段	ROS2 C++ 开发	独立编写节点和通信程序
第三阶段	Linux 串口编程	实现上位机与下位机通信
第四阶段	STM32、FreeRTOS、PID	实现底层电机控制
第五阶段	里程计、TF2、RViz2	实现机器人运动状态可视化
第六阶段	系统集成	完成移动机器人底盘控制系统

最终希望完成一个基于 ROS2 + STM32 的移动机器人底盘控制项目。

即使暂时没有实际硬件，也可以先通过模拟下位机的方式完成 ROS2 上位机开发，逐步验证通信协议、速度控制和状态反馈逻辑。

九、总结

今天最大的收获不仅是成功安装了 ROS2 Lyrical，更重要的是开始理解 ROS2 的整体架构。

从最初不知道为什么 ROS2 不需要 roscore，到理解 DDS 的作用，再到实际运行 Talker 和 Listener，逐渐建立了对 ROS2 节点通信机制的认识。

目前还处于入门阶段，距离独立完成机器人系统开发还有不少知识需要学习。

接下来继续坚持以项目为导向学习，不只停留在会使用命令，而是逐步做到能够独立编写节点、设计通信协议、调试程序并完成系统集成。

学习目标：不仅要学会 ROS2，更要真正具备机器人软件开发和整机联调的能力。