ROS2 入门教程（一）：从零开始掌握机器人开发

机器人和自动化技术的普及正在改变世界，而ROS2（Robot Operating System 2）作为新一代机器人开发框架，为开发者提供了强大的工具和灵活性。如果你是一名C++开发者，ROS2将是你进入机器人领域的理想起点。这篇教程将带你从环境配置到编写第一个C++节点，逐步掌握ROS2的核心开发流程。

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一、环境配置：搭建高效的开发环境

1. 系统准备

在Ubuntu系统中，确保你的环境支持UTF-8编码。如果你尚未设置，请执行以下命令：

# 安装必要的工具并设置UTF-8编码
sudo apt update && sudo apt install locales -y
sudo locale-gen en_US en_US.UTF-8
sudo update-locale LC_ALL=en_US.UTF-8 LANG=en_US.UTF-8

2. 添加ROS2仓库

接下来，你需要将ROS2的官方仓库添加到你的系统中：

# 安装证书工具
sudo apt install curl gnupg lsb-release
​
# 添加官方GPG密钥
sudo curl -sSL https://raw.githubusercontent.com/ros/rosdistro/master/ros.key \
   -o /usr/share/keyrings/ros-archive-keyring.gpg
​
# 添加Rolling版本仓库源
echo "deb [arch=$(dpkg --print-architecture) signed-by=/usr/share/keyrings/ros-archive-keyring.gpg] \
   http://packages.ros.org/ros2/ubuntu $(lsb_release -cs) main" | \
   sudo tee /etc/apt/sources.list.d/ros2.list > /dev/null

3. 安装ROS2核心

更新仓库并安装ROS2的核心组件：

# 更新并安装完整桌面版
sudo apt update
sudo apt install ros-rolling-desktop
​
# 安装开发工具链
sudo apt install \
   build-essential \
   cmake \
   python3-colcon-common-extensions \
   python3-rosdep2 \
   python3-vcstool

4. 环境初始化

配置ROS2的环境变量，以便系统能够识别ROS2的命令和工具：

# 将ROS2的环境变量添加到bashrc中
echo "source /opt/ros/rolling/setup.bash" >> ~/.bashrc
​
# 立即生效
source ~/.bashrc

5. 依赖管理初始化

通过rosdep工具管理ROS2的依赖项：

# 初始化rosdep
sudo rosdep init
rosdep update

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二、创建工作空间与包：构建你的第一个ROS2项目

1. 初始化工作空间

mkdir -p ~/ros2_ws/src
cd ~/ros2_ws
colcon build  # 构建空工作空间

2. 创建C++包

在src目录下创建一个新的C++包：

cd ~/ros2_ws/src
ros2 pkg create my_cpp_pkg --build-type ament_cmake --dependencies rclcpp std_msgs

• ament_cmake：ROS2的C++构建系统（基于CMake）

• --dependencies：指定依赖项（rclcpp是C++核心库，std_msgs包含基础消息类型）

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三、编写C++节点：发布者与订阅者示例

1. 编写发布者节点

在my_cpp_pkg/src目录下创建publisher_node.cpp：

#include "rclcpp/rclcpp.hpp"
#include "std_msgs/msg/string.hpp"
using namespace std::chrono_literals;
​
class PublisherNode : public rclcpp::Node {
public:
    PublisherNode() : Node("cpp_publisher") {
        publisher_ = create_publisher<std_msgs::msg::String>("topic", 10);
        timer_ = create_wall_timer(1s, [this]() {
            auto message = std_msgs::msg::String();
            message.data = "Hello, ROS2!";
            publisher_->publish(message);
            RCLCPP_INFO(get_logger(), "Publishing: '%s'", message.data.c_str());
        });
    }
​
private:
    rclcpp::Publisher<std_msgs::msg::String>::SharedPtr publisher_;
    rclcpp::TimerBase::SharedPtr timer_;
};
​
int main(int argc, char** argv) {
    rclcpp::init(argc, argv);
    rclcpp::spin(std::make_shared<PublisherNode>());
    rclcpp::shutdown();
    return 0;
}

2. 编写订阅者节点

在同一目录下创建subscriber_node.cpp：

#include "rclcpp/rclcpp.hpp"
#include "std_msgs/msg/string.hpp"
​
class SubscriberNode : public rclcpp::Node {
public:
    SubscriberNode() : Node("cpp_subscriber") {
        subscriber_ = create_subscription<std_msgs::msg::String>(
            "topic", 10,
            [this](const std_msgs::msg::String::SharedPtr msg) {
                RCLCPP_INFO(get_logger(), "Received: '%s'", msg->data.c_str());
        });
    }
​
private:
    rclcpp::Subscription<std_msgs::msg::String>::SharedPtr subscriber_;
};
​
int main(int argc, char** argv) {
    rclcpp::init(argc, argv);
    rclcpp::spin(std::make_shared<SubscriberNode>());
    rclcpp::shutdown();
    return 0;
}

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四、配置CMakeLists.txt：构建与管理项目

修改my_cpp_pkg/CMakeLists.txt文件，添加节点代码的构建配置：

cmake_minimum_required(VERSION 3.8)
project(my_cpp_pkg)

if(CMAKE_COMPILER_IS_GNUCXX OR CMAKE_CXX_COMPILER_ID MATCHES "Clang")
  add_compile_options(-Wall -Wextra -Wpedantic)
endif()

# 查找依赖
find_package(ament_cmake REQUIRED)
find_package(rclcpp REQUIRED)
find_package(std_msgs REQUIRED)

# 添加发布者节点
add_executable(publisher_node src/publisher_node.cpp)
ament_target_dependencies(publisher_node rclcpp std_msgs)
install(TARGETS publisher_node DESTINATION lib/${PROJECT_NAME})

# 添加订阅者节点
add_executable(subscriber_node src/subscriber_node.cpp)
ament_target_dependencies(subscriber_node rclcpp std_msgs)
install(TARGETS subscriber_node DESTINATION lib/${PROJECT_NAME})

# 导出依赖
ament_export_dependencies(rclcpp std_msgs)

ament_package()

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五、构建与运行：启动你的第一个ROS2项目

1. 构建项目

在工作空间根目录下运行以下命令进行构建：

cd ~/ros2_ws
colcon build --packages-select my_cpp_pkg
source install/setup.bash  # 激活当前工作空间

2. 启动节点

在不同的终端中分别运行发布者和订阅者节点：

# 终端1：发布者
ros2 run my_cpp_pkg publisher_node
​
# 终端2：订阅者
ros2 run my_cpp_pkg subscriber_node

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六、调试与优化：高效开发技巧

1. 调试工具

• 使用gdb调试C++节点：

  ros2 run --prefix 'gdb -ex run' my_cpp_pkg publisher_node

• 实时查看节点通信：

  ros2 topic echo /topic

2. 日志系统

• 设置日志级别：

  export RCUTILS_CONSOLE_OUTPUT_FORMAT="[{severity} {time}] [{name}]: {message}"
  export RCUTILS_LOGGING_SEVERITY=DEBUG  # 更改为DEBUG级别

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七、进阶学习路径：不断探索与提升

1. 核心内容

• 自定义消息/服务接口：创建.msg、.srv文件并编译

• 生命周期节点管理：使用rclcpp_lifecycle管理节点状态

• 多线程与回调组：理解MultiThreadedExecutor和回调组的用途

2. 工具链推荐

• 可视化调试：安装RQt、rviz2、plotjuggler

• 性能分析：使用ros2trace跟踪实时性能

3. 推荐资源

• 官方文档：docs.ros.org

• GitHub示例：ros2/examples

• 书籍：《Programming ROS2 with C++》

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通过这篇教程，你已经成功搭建了ROS2的开发环境并完成了第一个C++节点的编写。接下来，你可以继续探索ROS2的更多功能，如自定义消息、服务接口与多机协作等。ROS2的世界广阔而充满挑战，期待你在这个领域取得更大的成就！

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