1 ROS2 项目结构

1.1 Colcon 工作区

Colocn 工作区是创建、修改和编译软件包的目录。Colcon 的工作区可以直观地描述为一个仓库，其中包含各种 ROS 项目，便于系统的组织、管理和调用。

• Create workspace:

mkdir -p ~/colcon_ws/src # 创建文件夹
cd ~/colcon_ws/ # 输入文件夹
colcon build # 在工作区中构建代码。

注意： colcon 支持选项 -symlink-install。这允许通过更改源空间中的文件（如 Python 文件或其他未编译的资源）来更改已安装的文件，从而加快迭代速度。避免每次修改 Python 脚本时都需要重新编译。

colcon build --symlink-install

ROS 工作区是一个具有特定结构的目录。通常会有一个 src 子目录。在该子目录中，存放着 ROS 软件包的源代码。通常情况下，该目录一开始是空的。

colcon 会进行源代码外编译。默认情况下，它将创建以下目录作为 src 目录的同级目录：

src/: 用于 ROS2 的 colcon 软件包（源代码包）

build/: 存放中间文件的位置。例如，为每个软件包创建一个子文件夹，在其中调用 CMake。

install/: 每个软件包的安装位置。默认情况下，每个软件包都会安装到一个单独的子目录中。

log/: 包含每个 colcon 调用的各种日志信息。

ROS2 工作区的目录结构如下：

WorkSpace --- 定制的工作空间
     |--- build: 存放中间文件的目录。在此目录下，将为每个功能包创建一个单独的子目录。
     |--- install: 安装目录中的每个功能包都将创建一个单独的子目录。
     |--- log: 日志目录，用于存储日志文件。
     |--- src: 用于存储功能包源代码的目录。
         |-- C++ 功能包
             |-- package.xml: 软件包信息，如：软件包名称、版本、作者、依赖关系。
             |-- CMakeLists.txt: 配置编译规则，如源文件、依赖关系和目标文件。
             |-- src: C++ 源文件目录。
             |-- include: 头文件目录。
             |-- msg: 消息接口文件目录。
             |-- srv: 服务接口文件目录。
             |-- action: 行动界面文件目录。
         |-- Python 功能包
             |-- package.xml: 软件包信息，如：软件包名称、版本、作者、依赖关系。
             |-- setup.py: 类似于 C++ 功能包的 CMakeLists.txt。
             |-- setup.cfg: 功能包基本配置文件。
             |-- resource: 资源目录。
             |-- test: 存储与测试相关的文件。
             |-- 与函数包同名的目录：Python 源文件目录。

1.2 ROS2 包

软件包不仅是 Linux 上的软件包，也是 colcon 编译的基本单元。我们使用 "colcon build "编译的对象就是每个 ROS2 软件包。

创建自己的包：

• 使用 Python 创建软件包的命令语法是

ros2 pkg create --build-type ament_python <package_name>

• 例如：

ros2 pkg create --build-type ament_python --node-name my_node my_package

2 基本工具命令

本章将介绍 ROS2 的常用命令工具。

2.1 Topics

ROS 2 将复杂的系统分解成许多模块化节点。主题是 ROS 图形的一个重要元素，是节点交换信息的总线。 主题是节点之间移动数据的主要方式之一，因此也是系统不同部分之间移动数据的主要方式之一。

具体参考: 官方教程

• 主题帮助

ros2 topics -h

• 启动海龟模拟和键盘控制

ros2 run turtlesim turtlesim_node
ros2 run turtlesim turtle_teleop_key

• 节点关系图

rqt_graph

• 了解与主题相关的命令

ros2 topics -h

• 主题列表

ros2 topic list
ros2 topic list -t # Display the corresponding message type

• 查看主题内容

ros2 topic echo <topic_name>
ros2 topic echo /turtle1/cmd_vel

• 显示与主题相关的信息，键入

ros2 topic info <topic_name>
# 输出 /turtle1/cmd_vel 主题相关信息
ros2 topic info /turtle1/cmd_vel

• 显示接口相关信息

ros2 interface show <msg_type>
# 输出几何_msgs/msg/Twist 接口相关信息
ros2 interface show geometry_msgs/msg/Twist

• 发布命令

ros2 topic pub <topic_name> <msg_type> '<args>'
# 发出速度命令
ros2 topic pub --once /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/msg/Twist "{linear: {x: 2.0, y: 0.0, z: 0.0}, angular: {x: 0.0, y: 0.0, z: 1.8}}"
# 以一定频率发出速度指令
ros2 topic pub --rate 1 /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/msg/Twist "{linear: {x: 2.0, y: 0.0, z: 0.0}, angular: {x: 0.0, y: 0.0, z: 1.8}}"

• 查看发布主题的频率

ros2 topic hz <topic_name>
# 输出 /turtle1/cmd_vel 发布频率
ros2 topic pub --rate 1 /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/msg/Twist "{linear: {x: 2.0, y: 0.0, z: 0.0}, angular: {x: 0.0, y: 0.0, z: 1.8}}"

2.2 Nodes

ROS 中的每个节点都应负责一个单一的模块目的（例如，一个节点负责控制车轮电机，一个节点负责控制激光测距仪等）。每个节点都可以通过主题、服务、操作或参数向其他节点发送和接收数据。 一个完整的机器人系统由许多协同工作的节点组成。在 ROS 2 中，单个可执行文件（C++ 程序、Python 程序等）可包含一个或多个节点。

具体参考: 官方教程

• nodes 帮助

ros2 nodes -h

• 启动海龟模拟和键盘控制

ros2 run turtlesim turtlesim_node
ros2 run turtlesim turtle_teleop_key

• 查看节点列表

ros2 node list

• 查看节点关系图 m

rqt_graph

• Remapping

ros2 run turtlesim turtlesim_node --ros-args --remap __node:=my_turtle
ros2 node list

• 查看节点信息

ros2 node info <node_name>
ros2 node info /my_turtle

2.3 Servics

服务是 ROS 图中节点的另一种通信方式。与主题的 "发布者-订阅者 "模式相比，服务基于 "调用-响应 "模式。主题允许节点订阅数据流并获得持续更新，而服务只有在客户端特别调用时才会提供数据。

具体参考资料： 官方教程

• 服务帮助

ros2 service -h

• 启动海龟模拟和键盘控制

ros2 run turtlesim turtlesim_node
ros2 run turtlesim turtle_teleop_key

• 查看服务列表

ros2 service list
# Display service list and message type
ros2 service list -t

• 查看服务接收的信息类型

ros2 service type <service_name>
ros2 service type /clear

• 查找使用特定信息类型的服务

ros2 service find <type_name>
ros2 service find std_srvs/srv/Empty

• 查看服务信息类型定义

ros2 interface show <type_name>.srv
ros2 interface show std_srvs/srv/Empty.srv

• 调用服务命令清除行走轨道

ros2 service call <service_name> <service_type>
ros2 service call /clear std_srvs/srv/Empty

• 生成一只新乌龟

ros2 service call /spawn turtlesim/srv/Spawn "{x: 2, y: 2, theta: 0.2, name: 'turtle2'}"

2.4 Parameters

参数是节点的配置值。可以把参数看作节点的设置。节点可以将参数存储为整数、浮点数、布尔值、字符串和列表。在 ROS 2 中，每个节点都维护自己的参数。有关参数的更多背景信息，请参阅概念文档。

具体参考资料：官方教程

• 参数帮助

ros2 param -h

• 启动海龟模拟和键盘控制

ros2 run turtlesim turtlesim_node
ros2 run turtlesim turtle_teleop_key

• 查看服务列表

ros2 param list

• 获取参数值

ros2 param get <node_name> <parameter_name>
ros2 param get /turtlesim background_g

• 设置参数值

ros2 param set <node_name> <parameter_name> <value>
ros2 param set /turtlesim background_r 150

• 导出参数值

ros2 param dump <node_name>
ros2 param dump /turtlesim

• 独立导入参数

ros2 param load <node_name> <parameter_file>
ros2 param load /turtlesim ./turtlesim.yaml

• 同时启动节点和导入参数

ros2 run <package_name> <executable_name> --ros-args --params-file <file_name>
ros2 run turtlesim turtlesim_node --ros-args --params-file ./turtlesim.yaml

2.5 Actions

行动是 ROS 2 中的通信类型之一，适用于长时间运行的任务。行动由三部分组成：目标、反馈和结果。

操作建立在主题和服务的基础上。它们的功能与服务类似，只是操作可以抢占（可以在执行时取消）。与只返回单一响应的服务不同，它们还能提供稳定的反馈。

行动使用客户端-服务器模式，类似于发布者-订阅者模式（在主题教程中有所描述）。行动客户端 "节点向 "行动服务器 "节点发送目标，后者确认目标并返回反馈流和结果。

具体参考资料：官方教程

• action 帮助

ros2 action -h

• 启动海龟模拟和键盘控制

ros2 run turtlesim turtlesim_node
ros2 run turtlesim turtle_teleop_key

按 G|B|V|C|D|E|R|T，实现旋转，按 F 取消。

• 查看节点操作的服务器和客户端

ros2 node info /turtlesim

• 查看行动列表

ros2 action list
ros2 action list -t # show action type

• 查看行动信息

ros2 action info <action>
ros2 action info /turtle1/rotate_absolute

• 查看行动信息内容

ros2 interface show turtlesim/action/RotateAbsolute

• 发送行动目标信息

ros2 action send_goal <action_name> <action_type>
ros2 action send_goal /turtle1/rotate_absolute turtlesim/action/RotateAbsolute "{theta: 1.57}"
# With feedback information
ros2 action send_goal /turtle1/rotate_absolute turtlesim/action/RotateAbsolute "{theta: 0}" --feedback

2.6 RQt

RQt 是一个图形用户界面框架，它以插件的形式实现了各种工具和界面。人们可以在 RQt 中以停靠窗口的形式运行所有现有的图形用户界面工具！这些工具仍能以传统的独立方式运行，但 RQt 使其更易于在单一屏幕布局中管理所有不同的窗口。

具体参考资料：官方教程

您可以通过以下方式轻松运行任何 RQt 工具/插件：

rqt

• rqt 帮助

rqt -h

• 启动海龟模拟和键盘控制

ros2 run turtlesim turtlesim_node
ros2 run turtlesim turtle_teleop_key

• 动作浏览器：/ Plugins -> Actions ->Action Type Browser

• 参数重新配置: / Plugins -> configuration ->Parameter Reconfigure

• 节点图: /Node Graph

• 控制转向: /Plugins -> Robot Tools -> Robot Steering

• 服务调用: /Plugins -> Services -> Service Caller

• 服务类型浏览器: Plugins -> Services -> Service Type Browser

• 消息发布: Plugins -> Topics -> Message Publisher

• 消息类型浏览器: Plugins -> Topics -> Message Type Browser

• 话题列表: Plugins -> Topics -> Topic Monitor

• 绘制曲线图: Plugins -> Visualization -> Plot

• 查看日志： rqt_console

ros2 run rqt_console rqt_console
ros2 run turtlesim turtlesim_node
ros2 topic pub -r 1 /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/msg/Twist "{linear: {x: 2.0, y: 0.0, z: 0.0}, angular: {x: 0.0,y: 0.0,z: 0.0}}"

2.7 TF2

tf2 是一个变换库，用户可以利用它跟踪多个坐标框架的时间变化。tf2 将坐标框架之间的关系保存在一个以时间为缓冲的树状结构中，用户可以在任意时间点对任意两个坐标框架之间的点、矢量等进行变换。

具体参考资料：官方教程

让我们先安装演示软件包及其依赖项。

sudo apt-get install ros-foxy-turtle-tf2-py ros-foxy-tf2-tools ros-foxy-tf-transformations

• 跟随

• 启动 2 只小乌龟，第一只小乌龟自动跟上第二只小乌龟

ros2 launch turtle_tf2_py turtle_tf2_demo.launch.py

• 通过键盘控制第一只小乌龟的移动

ros2 run turtlesim turtle_teleop_key

• 查看 TF 树

ros2 run tf2_tools view_frames.py
evince frames.pdf

• 查看两个坐标系之间的关系

ros2 run tf2_ros tf2_echo [reference_frame] [target_frame]
ros2 run tf2_ros tf2_echo turtle2 turtle1

• 在 rviz 上查看 TF 关系

ros2 run rviz2 rviz2 -d $(ros2 pkg prefix --share turtle_tf2_py)/rviz/turtle_rviz.rviz

2.8 URDF

URDF 是统一机器人描述格式，用于在 ROS 中指定机器人的几何形状和组织结构。

具体参考资料：官方教程

• 完整语法

<robot>
    # describe:
    # Parameters: name=""
    #  Child node:
        <link>
            # Description:
            # Parameters：name=""
            # Child node:
                <visual>
                    # describe:
                    # Parameters:
                    # child nodes:
                        <geometry>
                            # description
                            # parameters
                            # Child node:
                                <cylinder />
                                    # Description:
                                    # Parameters:
                                        # length="0.6"
                                        # radius="0.2"
                                <box />
                                    # description
                                    # Parameters:size="0.6 0.1 0.2"
                                <mesh />
                                    #  Description
                                    #Parameters: filename="package://urdf_tutorial/meshes/l_finger_tip.dae"
                        <collision>
                            # Description: collision element, prioritized
                            # parameters
                            # child node
                                <geometry>
                        <inertial>
                            # description
                            # parameters
                            # Child nodes:
                                <mass />
                                    # description: mass
                                    # Parameters: value=10
                                <inertia />
                                    # Description: Inertia
                                    # Parameters: i+"Cartesian product of xyz" (9 in total)="0.4"
                        <origin />
                            # Description:
                            # Parameters:
                                # rpy="0 1.5 0"
                                # xyz="0 0 -0.3"
                        <material />
                            # Description
                            # Parameters：name="blue"
        <joint>
            # Description
            # Parameters：
                # name=""
                # type=""
                    # fixed
                    # prismatic
            # child node
                <parent />
                    # Description
                    # Parameters：link=""
                <child />
                    # Description：
                    # Parameters：link=""
                <origin />
                    # Description：
                    # Parameters：xyz="0 -0.2 0.25"
                <limit />
                    # Description
                    # Parameters：
                        # effort="1000.0"    maximum effort
                        # lower="-0.38"      Joint upper limit (radians)
                        # upper="0"          Joint lower limit (radians)
                        # velocity="0.5"     Maximum velocity
                <axis />
                    # Description： Press ? axis rotation
                    # Parameters：xyz="0 0 1"，along the Z axis
        <material>
            # Description：
            # Parameters：name="blue"
            # child node：
                <color />
                    # description：
                    # Parameters：rgba="0 0 0.8 1"

• 安装依赖库

sudo apt install ros-foxy-joint-state-publisher-gui ros-foxy-joint-state-publisher
sudo apt install ros-foxy-xacro

• 下载源代码

cd ~/dev_ws
git clone -b ros2 https://github.com/ros/urdf_tutorial.git src/urdf_tutorial

• 编译源代码

colcon build --packages-select urdf_tutorial

• 运行示例

ros2 launch urdf_tutorial display.launch.py model:=urdf/01-myfirst.urdf

2.9 Launch

ROS 2 中的启动系统负责帮助用户描述其系统的配置，然后按描述执行。系统配置包括运行哪些程序、在哪里运行、传递哪些参数，以及 ROS 特有的约定，通过为每个组件提供不同的配置，可以方便地在整个系统中重复使用组件。此外，它还负责监控已启动进程的状态，并对这些进程的状态变化做出报告和/或反应。

用 Python、XML 或 YAML 编写的启动文件可以启动和停止不同的节点，并触发和执行各种事件。

具体参考资料：官方教程

设置

创建一个新目录来存储启动文件:

mkdir launch

编写启动文件

让我们使用 turtlesim 软件包及其可执行文件制作一个 ROS 2 启动文件。如上所述

将完整代码复制并粘贴到 launch/turtlesim_mimic_launch.py 文件中：

from launch import LaunchDescription
from launch_ros.actions import Node

def generate_launch_description():
    return LaunchDescription([
        Node(
            package='turtlesim',
            namespace='turtlesim1',
            executable='turtlesim_node',
            name='sim'
        ),
        Node(
            package='turtlesim',
            namespace='turtlesim2',
            executable='turtlesim_node',
            name='sim'
        ),
        Node(
            package='turtlesim',
            executable='mimic',
            name='mimic',
            remappings=[
                ('/input/pose', '/turtlesim1/turtle1/pose'),
                ('/output/cmd_vel', '/turtlesim2/turtle1/cmd_vel'),
            ]
        )
    ])

运行 ros2 启动文件

要运行上文创建的启动文件，请进入之前创建的目录并运行以下命令：

语法格式为

ros2 launch <package_name> <launch_file_name>

cd launch
ros2 launch turtlesim_mimic_launch.py

• 启动帮助

ros2 launch -h

• 运行节点

ros2 launch turtlesim multisim.launch.py

• 检查启动文件的参数

ros2 launch turtlebot3_fake_node turtlebot3_fake_node.launch.py -s
ros2 launch turtlebot3_fake_node turtlebot3_fake_node.launch.py --show-arguments
ros2 launch turtlebot3_bringup robot.launch.launch.py -s

• 运行带参数的启动文件

ros2 launch turtlebot3_bringup robot.launch.launch.py usb_port:=/dev/opencr

• 运行节点并调试

ros2 launch turtlesim turtlesim_node.launch.py -d

• 只有输出节点说明

ros2 launch turtlesim turtlesim_node.launch.py -p

• 运行部件

ros2 launch composition composition_demo.launch.py

2.10 Run

run 用于运行单个节点、组件程序

• 运行帮助

ros2 run -h

• 运行节点

ros2 run turtlesim turtlesim_node

• 带参数运行节点

ros2 run turtlesim turtlesim_node --ros-args -r __node:=turtle2 -r __ns:=/ns2

• 运行组件容器

ros2 run rclcpp_components component_container

• 运行部件

ros2 run composition manual_composition

2.11 Package

软件包可以看作是 ROS 2 代码的容器。如果你想安装你的代码或与他人分享，那么你就需要将其整理成一个软件包。有了软件包，你就可以发布你的 ROS 2 作品，并允许他人轻松构建和使用。

ROS 2 中的软件包创建使用 ament 作为构建系统，使用 colcon 作为构建工具。您可以使用官方支持的 CMake 或 Python 创建软件包，当然也存在其他构建类型。

具体参考资料：官方教程

创建工作区

为每个新工作区创建一个新目录。名称并不重要，但最好能说明工作区的用途。我们选择 ros2_ws 作为 "开发工作区 "的目录名：

mkdir -p ~/ros2_ws/src
cd ~/ros2_ws/src

• pkg 帮助

ros2 pkg -h

• 功能包列表

ros2 pkg executable turtlesim

• 输出功能包执行程序

ros2 pkg executable turtlesim

• 创建 Python 软件包

运行软件包创建命令前，请确保您已进入 src 文件夹。

cd ~/ros2_ws/src

在 ROS 2 中创建新软件包的命令语法是

ros2 pkg create --build-type ament_python <package_name>
# 你将使用可选参数 --node-name 在软件包中创建一个简单的 Hello World 类型的可执行文件。
ros2 pkg create --build-type ament_python --node-name my_node my_package

• 构建软件包

将软件包放在工作区中尤为重要，因为通过在工作区根目录下运行 colcon build，可以一次性构建多个软件包。否则，您将不得不单独构建每个软件包。

# 返回工作区的根目录：
cd ~/ros2_ws
# 现在，您可以构建软件包了：
colcon build

• 获取设置文件

要使用新软件包和可执行文件，首先要打开一个新终端，并将 ROS 2 的主安装程序作为源代码。

然后，在 ros2_ws 目录下运行以下命令，获取工作区的源代码：

source install/setup.bash

现在工作区已添加到路径中，您就可以使用新软件包的可执行文件了。

• Use the package

要运行创建软件包时使用 --node-name 参数创建的可执行文件，请输入命令：

ros2 run my_package my_node

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