【ROS实战】03-从零实现小车运动控制的 ROS 功能包

本教程将从 零基础 带你创建一个包含两个节点的 ROS 包：
一个用键盘控制小车方向，另一个接收控制信息并解析动作。

本章使用ROS Noetic版本，如果对ROS背景，ROS主题，ROS架构和工作空间概念不了解的读者，可以先阅读我的专栏中的前两篇文章《01-ROS安装详细指南》和《02-ROS架构介绍》

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🧱 第一步：创建工作空间与包

✅ 创建工作空间

这里我们给工作空间起名为catkin_ws

你可以根据需要命名工作空间。catkin_ws 是"catkin workspace"（catkin工作空间）的缩写，其中，catkin 是ROS中的构建系统的名称，ws 代表工作空间workspace。

mkdir -p ~/catkin_ws/src
cd ~/catkin_ws
catkin_make
source devel/setup.bash

✅ 创建 ROS 包

cd ~/catkin_ws/src
catkin_create_pkg my_robot_control rospy std_msgs geometry_msgs

解释：

• my_robot_control：你的包名；
• rospy：使用 Python 写 ROS 节点；
• std_msgs 和 geometry_msgs：标准消息类型，geometry_msgs/Twist 是控制速度的关键消息类型。

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✍️ 第二步：编写 Python 节点

1️⃣ keyboard_control_node.py：读取键盘输入，发布 /cmd_vel

路径：~/catkin_ws/src/my_robot_control/scripts/keyboard_control_node.py

#!/usr/bin/env python3
import rospy
from geometry_msgs.msg import Twist

def main():
    # 创建一个Publisher，发布到 /cmd_vel，消息类型为Twist
    pub = rospy.Publisher('/cmd_vel', Twist, queue_size=10)
    # 初始化节点，名称为 keyboard_control_node
    rospy.init_node('keyboard_control_node')
    rate = rospy.Rate(10)  # 发布频率 10Hz

    print("=== 使用键盘控制小车 ===")
    print("w: 前进 | s: 后退 | a: 左转 | d: 右转 | q: 退出")

    while not rospy.is_shutdown():
        key = input("请输入方向键：")
        msg = Twist()  # 初始化速度消息
        if key == 'w':
            msg.linear.x = 0.5  # 前进
        elif key == 's':
            msg.linear.x = -0.5  # 后退
        elif key == 'a':
            msg.angular.z = 0.5  # 左转
        elif key == 'd':
            msg.angular.z = -0.5  # 右转
        elif key == 'q':
            print("退出控制程序")
            break
        else:
            print("无效输入，请输入 w/s/a/d/q")
            continue

        pub.publish(msg)  # 发布消息
        rate.sleep()

if __name__ == '__main__':
    main()

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2️⃣ motor_controller_node.py：接收 /cmd_vel，输出控制信息

路径：~/catkin_ws/src/my_robot_control/scripts/motor_controller_node.py

#!/usr/bin/env python3
import rospy
from geometry_msgs.msg import Twist

# 回调函数，当接收到 /cmd_vel 消息时触发
def callback(msg):
    linear = msg.linear.x
    angular = msg.angular.z

    # 判断动作类型
    if linear > 0:
        action = "前进"
    elif linear < 0:
        action = "后退"
    elif angular > 0:
        action = "左转"
    elif angular < 0:
        action = "右转"
    else:
        action = "停止"

    # 输出动作和速度信息
    print(f"[MotorController] 动作: {action} | 线速度: {linear:.2f} m/s | 角速度: {angular:.2f} rad/s")

def main():
    rospy.init_node('motor_controller_node')  # 初始化节点
    rospy.Subscriber('/cmd_vel', Twist, callback)  # 订阅 /cmd_vel
    rospy.spin()  # 等待回调

if __name__ == '__main__':
    main()

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🔑 第三步：配置可执行权限与 CMakeLists.txt

✅ 设置可执行权限

chmod +x ~/catkin_ws/src/my_robot_control/scripts/*.py

✅ 修改 CMakeLists.txt

确保添加如下内容来安装你的 Python 脚本，修改~/catkin_ws/src/my_robot_control/CMakeLists.txt，在find_package之后添加如下语句

catkin_package()

catkin_install_python(PROGRAMS
  scripts/keyboard_control_node.py
  scripts/motor_controller_node.py
  DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_BIN_DESTINATION}
)

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🔨 第四步：编译项目

cd ~/catkin_ws
catkin_make
source devel/setup.bash

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🧪 第五步：单独运行每个节点

✅ 先启动 roscore

roscore

如果没有安装或者安装后命令无法识别，请参考我专栏中的《01-ROS安装详细指南》

✅ 运行 keyboard 控制节点

source ~/catkin_ws/devel/setup.bash
rosrun my_robot_control keyboard_control_node.py

含义解释：

• rosrun：运行单个 ROS 节点；
• my_robot_control：你的包名；
• keyboard_control_node.py：脚本名称，必须在 scripts/ 下并有可执行权限。

✅ 在另一个终端运行 motor controller 节点

source ~/catkin_ws/devel/setup.bash
rosrun my_robot_control motor_controller_node.py

此时，在keyboard控制节点终端输入方向按键(wsad)并输入回车后，就可以看到另一个终端的输出信息。

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🚀 第六步：使用 Launch 文件同时启动两个节点

目前每个节点都需要独立运行，当节点数量多了后，尤其是生产环境，可能有几十个甚至数百个节点，如果还是这样一个一个运行，就会非常麻烦，且启动的参数也不容易文档化管理。

这时，我们就可以使用Launch文件同时启动多个节点。

✅ 创建 launch 文件夹

mkdir -p ~/catkin_ws/src/my_robot_control/launch

✅ 编写 my_robot_launch.launch

路径：~/catkin_ws/src/my_robot_control/launch/my_robot_launch.launch

<launch>
  <!-- 启动键盘控制节点 -->
  <node pkg="my_robot_control" type="keyboard_control_node.py" name="keyboard_control" output="screen"/>
  
  <!-- 启动电机控制节点 -->
  <node pkg="my_robot_control" type="motor_controller_node.py" name="motor_controller" output="screen"/>
</launch>

参数说明：

• pkg：节点所在的包名；
• type：节点的可执行文件（脚本）名称；
• name：运行时给节点起的名字（可用于调试）；
• output="screen"：将日志输出显示在终端。

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✅ 启动 launch 文件

roslaunch my_robot_control my_robot_launch.launch

含义解释：

• roslaunch：用于运行 launch 文件，支持同时启动多个节点；
• my_robot_control：包名；
• my_robot_launch.launch：启动文件名称，必须放在 launch/ 文件夹下。

此时，已经在一个窗口中通过roslaunch命令同时启动了两个节点，我们在窗口中同时输入控制指令并看到另一个节点的输出。

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📂 最终项目结构

my_robot_control/
├── CMakeLists.txt
├── package.xml
├── launch/
│   └── my_robot_launch.launch
├── scripts/
│   ├── keyboard_control_node.py
│   └── motor_controller_node.py

常用调试命令

通过结合以下 ROS 相关命令，可以从另一个角度观察程序的运行状态。

在启动两个节点后：

1. 查看当前话题：
   使用 rostopic list 命令可以列出当前系统中所有的话题，确以看到我们两个节点使用的 /cmd_vel 话题。

   $:~/catkin_ws$ rostopic list
   /cmd_vel
   

2. 查看当前节点：
   使用 rosnode list 命令可以列出当前运行的所有节点，可以看到我们启动的两个节点：keyboard_control 和 motor_controller。

   $:~/catkin_ws$ rosnode list
   /keyboard_control
   /motor_controller
   

3. 实时监听话题数据：
   使用 rostopic echo /cmd_vel 可以在终端中持续监听 /cmd_vel 话题的数据。如果该话题有数据发布，命令行中会实时打印出来。比如在执行后，在之前启动的 keyboard_control 终端中，输入 wsad 控制时，便能同步看到输出数据。

   $:~/catkin_ws$ rostopic echo /cmd_vel
   linear: 
    x: 0.5
    y: 0.0
    z: 0.0
   angular: 
    x: 0.0
    y: 0.0
    z: 0.0
   

这样，你就可以通过这些命令更直观地调试和监控 ROS 系统的运行状态。

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✅ 小结

你现在拥有了一个完整的 ROS 包：

• ✅ 可用键盘控制小车；
• ✅ 发布 /cmd_vel 控制速度；
• ✅ 模拟电机接收速度并输出动作信息；
• ✅ 支持手动运行和 launch 一键启动！
• ✅ 使用ros的常用命令进行调试。

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如果想继续扩展，可以加入：

• 🔋 控制真实电机（通过串口或 GPIO）；
• 🖥️ 用 GUI 或者接受远端遥控信号替代命令行键盘输入；
• 🧠 使用导航算法，实现自动规划。