🤖 第01课：ROS2概述与安装

📋 课程目标

• 理解ROS2的核心设计理念与架构
• 了解ROS1与ROS2的关键区别
• 掌握ROS2的安装方法（Ubuntu + Docker）
• 完成第一个ROS2节点的运行验证

🧠 什么是ROS2？

ROS2（Robot Operating System 2）并不是一个真正的操作系统，而是一个面向机器人的中间件框架。它提供了一系列工具、库和约定，旨在简化跨多种机器人平台创建复杂且健壮的机器人行为。

📐 ROS1 vs ROS2 架构对比

🏗️ ROS2架构层次

📦 ROS2发行版

本课程使用 ROS2 Humble（LTS长期支持版，支持到2027年），搭配Ubuntu 22.04。

🛠️ 安装方法一：Ubuntu原生安装

# 设置UTF-8编码
sudo apt update && sudo apt install locales
sudo locale-gen en_US en_US.UTF-8
sudo update-locale LC_ALL=en_US.UTF-8 LANG=en_US.UTF-8
export LANG=en_US.UTF-8

# 添加ROS2 GPG密钥
sudo apt install software-properties-common
sudo add-apt-repository universe
sudo apt update && sudo apt install curl -y
sudo curl -sSL https://raw.githubusercontent.com/ros/rosdistro/master/ros.key \
  -o /usr/share/keyrings/ros-archive-keyring.gpg

# 添加ROS2仓库
echo "deb [arch=$(dpkg --print-architecture) \
  signed-by=/usr/share/keyrings/ros-archive-keyring.gpg] \
  http://packages.ros.org/ros2/ubuntu \
  $(. /etc/os-release && echo $UBUNTU_CODENAME) main" \
  | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/ros2.list > /dev/null

sudo apt update
sudo apt install ros-humble-desktop-full -y

# 安装开发工具
sudo apt install ros-dev-tools -y

# 添加到bashrc
echo "source /opt/ros/humble/setup.bash" >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc

# 验证安装
ros2 --version

🐳 安装方法二：Docker安装（推荐用于学习）

Docker方式无需修改宿主系统，非常适合学习和实验：

# 拉取ROS2 Humble官方镜像
docker pull osrf/ros:humble-desktop-full

# 启动ROS2容器（带图形界面支持）
docker run -it \
  --name ros2-humble \
  -e DISPLAY=$DISPLAY \
  -v /tmp/.X11-unix:/tmp/.X11-unix \
  osrf/ros:humble-desktop-full \
  /bin/bash

# 进入已创建的容器
docker start ros2-humble
docker exec -it ros2-humble /bin/bash

✅ 安装验证

安装完成后，运行以下命令验证：

# Source环境
source /opt/ros/humble/setup.bash

# 检查ROS2版本
ros2 --version
# 预期输出: ros2 cli version: ...

# 查看可用命令
ros2 pkg list | head -20

# 运行demo节点测试通信
# 终端1：运行发布者
ros2 run demo_nodes_cpp talker &

# 终端2：运行订阅者
ros2 run demo_nodes_py listener

如果看到 talker 输出 "Hello World" 消息，listener 接收到相同消息，说明安装成功！ ✅

🔬 Docker环境下的完整验证脚本

#!/bin/bash
# ros2_install_verify.sh - ROS2安装验证脚本
# ✅ 在Docker容器 osrf/ros:humble-desktop-full 中验证通过

echo "========== ROS2 安装验证 =========="

# 1. 检查环境变量
echo "[1/6] 检查环境变量..."
if [ -z "$AMENT_PREFIX_PATH" ]; then
    echo "  ⚠️  AMENT_PREFIX_PATH 未设置，正在source..."
    source /opt/ros/humble/setup.bash
fi
echo "  ✅ AMENT_PREFIX_PATH = $AMENT_PREFIX_PATH"

# 2. 检查ROS2命令
echo "[2/6] 检查ros2命令..."
ros2 --version && echo "  ✅ ros2命令可用" || echo "  ❌ ros2命令不可用"

# 3. 检查核心包
echo "[3/6] 检查核心包..."
for pkg in rclcpp rclpy std_msgs geometry_msgs nav_msgs sensor_msgs; do
    if ros2 pkg prefix $pkg &>/dev/null; then
        echo "  ✅ $pkg 已安装"
    else
        echo "  ❌ $pkg 未安装"
    fi
done

# 4. 检查DDS实现
echo "[4/6] 检查DDS实现..."
echo "  RMW Implementation: $RMW_IMPLEMENTATION"
ros2 doctor --report 2>/dev/null | grep "middleware" || echo "  使用默认DDS"

# 5. 测试节点通信
echo "[5/6] 测试节点通信..."
timeout 5 ros2 run demo_nodes_cpp talker &
TALKER_PID=$!
sleep 1
timeout 3 ros2 run demo_nodes_py listener 2>&1 | head -5
kill $TALKER_PID 2>/dev/null
echo "  ✅ 节点通信测试完成"

# 6. 检查工作空间
echo "[6/6] 检查工作空间..."
mkdir -p ~/ros2_ws/src
echo "  ✅ 工作空间已创建: ~/ros2_ws"

echo ""
echo "========== 验证结果 =========="
echo "🎉 ROS2 Humble 安装验证完成！"
echo "下一步：创建你的第一个ROS2包"
echo "  mkdir -p ~/ros2_ws/src"
echo "  cd ~/ros2_ws/src"
echo "  ros2 pkg create my_first_pkg --build-type ament_python"

🗂️ ROS2工作空间结构

🔧 核心概念预览

在后续课程中，我们将深入学习以下ROS2核心概念：

💻 第一个ROS2包（实操）

# 创建工作空间
mkdir -p ~/ros2_ws/src
cd ~/ros2_ws/src

# 创建Python包
ros2 pkg create my_first_ros2_pkg \
  --build-type ament_python \
  --dependencies rclpy std_msgs

# 查看生成的文件
tree my_first_ros2_pkg/
# my_first_ros2_pkg/
# ├── package.xml
# ├── setup.cfg
# ├── setup.py
# ├── resource/
# │   └── my_first_ros2_pkg
# ├── test/
# │   ├── test_copyright.py
# │   ├── test_flake8.py
# │   └── test_pep257.py
# └── my_first_ros2_pkg/
#     └── __init__.py

# 构建包
cd ~/ros2_ws
colcon build --packages-select my_first_ros2_pkg

# 加载环境
source install/setup.bash

# 验证包
ros2 pkg list | grep my_first
# 预期输出: my_first_ros2_pkg

📝 第一个ROS2节点（Python）

编辑 ~/ros2_ws/src/my_first_ros2_pkg/my_first_ros2_pkg/my_first_node.py：

#!/usr/bin/env python3
"""第一个ROS2节点 - 发布定时消息"""

import rclpy
from rclpy.node import Node
from std_msgs.msg import String


class MyFirstNode(Node):
    """自定义ROS2节点，定时发布问候消息"""

    def __init__(self):
        # 调用父类构造器，节点名为'first_node'
        super().__init__('first_node')

        # 创建发布者：话题名'greeting'，消息类型String，队列大小10
        self.publisher_ = self.create_publisher(String, 'greeting', 10)

        # 创建定时器：每0.5秒调用一次
        self.timer = self.create_timer(0.5, self.timer_callback)

        # 计数器
        self.count = 0

        self.get_logger().info('🎉 第一个ROS2节点已启动！')

    def timer_callback(self):
        """定时器回调函数"""
        msg = String()
        msg.data = f'Hello ROS2! 计数: {self.count}'
        self.publisher_.publish(msg)
        self.get_logger().info(f'发布: "{msg.data}"')
        self.count += 1


def main(args=None):
    # 初始化rclpy
    rclpy.init(args=args)

    # 创建节点
    node = MyFirstNode()

    try:
        # 保持节点运行
        rclpy.spin(node)
    except KeyboardInterrupt:
        pass
    finally:
        # 清理
        node.destroy_node()
        rclpy.shutdown()


if __name__ == '__main__':
    main()

更新 setup.py 的 entry_points：

entry_points={
    'console_scripts': [
        'first_node = my_first_ros2_pkg.my_first_node:main',
    ],
},

构建并运行：

cd ~/ros2_ws
colcon build --packages-select my_first_ros2_pkg --symlink-install
source install/setup.bash

# 运行节点
ros2 run my_first_ros2_pkg first_node

# 另开终端查看话题
ros2 topic echo /greeting

✅ 验证结果：节点每0.5秒发布一条消息，ros2 topic echo 可以看到输出。

📝 第一个ROS2节点（C++）

创建C++版本的第一个节点：

// first_node_cpp.cpp - C++版本第一个ROS2节点
#include "rclcpp/rclcpp.hpp"
#include "std_msgs/msg/string.hpp"
#include <chrono>
#include <memory>
#include <string>

using namespace std::chrono_literals;

class FirstNodeCpp : public rclcpp::Node {
public:
    FirstNodeCpp() : Node("first_node_cpp"), count_(0) {
        // 创建发布者
        publisher_ = this->create_publisher<std_msgs::msg::String>("greeting_cpp", 10);

        // 创建定时器，500ms间隔
        timer_ = this->create_wall_timer(500ms,
            std::bind(&FirstNodeCpp::timer_callback, this));

        RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "🎉 C++第一个ROS2节点已启动！");
    }

private:
    void timer_callback() {
        auto message = std_msgs::msg::String();
        message.data = "Hello ROS2 from C++! 计数: " + std::to_string(count_++);
        RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "发布: '%s'", message.data.c_str());
        publisher_->publish(message);
    }

    rclcpp::Publisher<std_msgs::msg::String>::SharedPtr publisher_;
    rclcpp::TimerBase::SharedPtr timer_;
    size_t count_;
};

int main(int argc, char *argv[]) {
    rclcpp::init(argc, argv);
    rclcpp::spin(std::make_shared<FirstNodeCpp>());
    rclcpp::shutdown();
    return 0;
}

🔧 colcon构建系统详解

🎯 练习题

ros2 pkg create my_cpp_pkg \
  --build-type ament_cmake \
  --dependencies rclcpp std_msgs

# 查看所有活跃节点
ros2 node list

# 查看所有话题
ros2 topic list

# 查看话题信息
ros2 topic info /greeting

# 查看话题频率
ros2 topic hz /greeting

# 查看节点信息
ros2 node info /first_node

# 创建宿主工作空间目录
mkdir -p ~/ros2_docker_ws

# 启动带卷挂载的容器
docker run -it \
  --name ros2-dev \
  -v ~/ros2_docker_ws:/root/ros2_ws \
  osrf/ros:humble-desktop-full \
  /bin/bash

🏆 成就解锁

📚 扩展阅读

• ROS2 Humble 官方文档
• ROS2 设计文档
• ROS Package Index
• ROS Discourse 论坛