ROS2与C#结合使用示例-优快云博客

随着机器人操作系统（ROS 2）以其分布式通信架构和强实时性成为行业主流，C# 开发者如何高效利用其能力构建功能丰富的机器人应用？本文通过典型代码示例，揭示 .NET 应用如何与ROS 2世界进行深度通信与协同工作。

核心技术栈：`rclcsharp` 与 `ros2_dotnet` 的力量

C#对接ROS 2的核心是微软维护的 ros2_dotnet 工具链。其中关键库为 rclcsharp (ROS 2 Client Library for C#)，它提供ROS 2的C API原生绑定，让C#应用直接参与ROS 2通信网络：

using RCLDotNet;
using builtin_interfaces.msg;
using geometry_msgs.msg;

实战示例1：C#节点发布机器人关节目标位置

// PublisherExample.cs
using System;
using RCLDotNet.Publisher;
using sensor_msgs.msg;

public class JointCommandPublisher 
{
    static void Main(string[] args) 
    {
        // 创建ROS 2节点
        using var node = new RCLDotNet.Node("csharp_joint_controller");
        
        // 创建发布者：发布目标到"/joint_targets"话题（类型为JointState）
        var pub = node.CreatePublisher<JointState>("/joint_targets");
        
        // 初始化关节命令消息
        var jointCmd = new JointState();
        jointCmd.name = ["shoulder", "elbow", "wrist"]; // 关节名称
        jointCmd.position = new double[3]; // 目标角度数组
        
        int count = 0;
        while (RCLDotNet.Ok()) 
        {
            // 模拟运动：依次弯曲关节
            jointCmd.position[0] = Math.Sin(count * 0.1); // 计算位置指令
            jointCmd.position[1] = 0.5 * Math.Cos(count * 0.2);
            jointCmd.position[2] = 0.2 * count % 3.14;
            jointCmd.header.stamp = DateTimeOffset.UtcNow; // 时间戳
            
            // 发布指令
            pub.Publish(jointCmd);
            Console.WriteLine($"C# Published: Shoulder={jointCmd.position[0]}");
            
            RCLDotNet.SpinOnce(node, timeout: 500); // 处理事件
            count++;
        }
    }
}

运行逻辑:

节点启动后持续向 /joint_targets 话题发送 JointState 消息
任何订阅此话题的ROS节点（如Python/C++控制器）都将实时收到关节角度指令
实现 C# 应用 → ROS 2 系统的控制流

实战示例2：C#节点订阅激光雷达数据并处理

// LidarSubscriber.cs
using RCLDotNet;
using RCLDotNet.Subscription;
using sensor_msgs.msg;

public class LidarProcessor 
{
    static void Main() 
    {
        using var node = new Node("csharp_lidar_processor");
        
        // 创建订阅者：监听"/scan"话题（类型LaserScan）
        var sub = node.CreateSubscription<LaserScan>(
            "/scan", 
            callback: (scan) => ProcessLidar(scan) // 收到消息时触发回调
        );

        Console.WriteLine("C#节点已启动，等待雷达数据...");
        RCLDotNet.Spin(node); // 阻塞式等待消息
    }

    // 处理雷达数据的回调方法
    private static void ProcessLidar(LaserScan scan) 
    {
        // 计算最近障碍物距离（忽略无穷远值）
        double minDistance = scan.ranges
            .Where(r => r > scan.range_min && r < scan.range_max)
            .DefaultIfEmpty(double.PositiveInfinity)
            .Min();
        
        // 关键：在C#中实现业务逻辑
        Console.WriteLine($"前方最近障碍物:{minDistance:F2}m | 扫描角度:[{scan.angle_min:F2},{scan.angle_max:F2}]");
        // >>> 可扩展：触发避障、生成地图等行为 <<<
    }
}

运行逻辑:

节点实时订阅ROS网络中的 /scan 话题（由雷达驱动节点发布）
每次收到新数据立即触发 ProcessLidar 回调方法
实现 ROS 2 系统 → C# 应用的数据流处理链

实战示例3：用C#构建简易服务端响应状态查询

// RobotStatusService.cs
using RCLDotNet;
using example_interfaces.srv; // 自定义服务接口
using System.Threading.Tasks;

public class StatusServiceServer 
{
    public class CheckStatusService : Service<CheckStatus.Request, CheckStatus.Response> 
    {
        protected override Task<CheckStatus.Response> HandleRequest(
            CheckStatus.Request request)
        {
            // 构建响应（模拟返回电池与温度状态）
            var response = new CheckStatus.Response()
            {
                battery_level = 85,
                temperature = 36.7,
                error_code = 0 // 0表示正常
            };
            Console.WriteLine($"收到来自 {request.requester_name} 的状态查询");
            return Task.FromResult(response);
        }
    }

    static void Main() 
    {
        using var node = new Node("csharp_status_service");
        var service = new CheckStatusService(node, "check_robot_status");
        RCLDotNet.Spin(node);
    }
}

进阶关键：自定义消息与多环境部署

1. 自定义ROS 2消息支持

流程：编写标准 .msg/.srv 文件 → 通过 rosidl_generator_cs 生成C#类
代码生成命令：
ros2 run rosidl_generator_cs generate [package_name] [msg_name].msg

2. 灵活部署选项

场景	方案	适用对象
Windows开发调试	直接运行C#程序	桌面开发机快速迭代
Linux嵌入式部署	安装`.NET Runtime` + 编译`rclcsharp`	Raspberry Pi/Jetson等边缘设备
Docker容器化	构建含.NET + ROS 2的镜像	确保环境一致性，方便分发

性能与开发建议

警惕实时性瓶颈：
- GC暂停可能导致通信延迟波动：在关键控制循环慎用大规模内存分配
- 替代方案：核心控制用C++节点 + C#处理上层逻辑
优化通信效率：
- 避免高频小消息：合并数据批量发送（如JointState代替单关节控制）
- 大型数据（如点云）优先使用Zero Copy传输模式
调试利器：
- 内置日志输出：RCLDotNet.Log("C#节点警告: 数据超限", LogLevel.Warn)
- 可视化调试：配合rqt_graph查看C#节点拓扑关系

真实世界架构：C#工业控制系统与ROS机器人的集成

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过程说明：