【ROS速成】半小时入门机器人ROS系统简明教程（Ubuntu24.04+ROS2）

一.复杂的机器人系统

依照我们现在的技术来看，机器人系统仍是极其复杂的，往往一个系统就需要数以百计的工程师开发。一个机器人集成了多个领域的多个人的共同智慧，例如：机械工程、电子工程、计算机科学、控制理论等。

我们知道一个系统由通俗地简单地讲是由硬件和软件部分构成的，其中硬件部分包括控制核心，驱动器，执行器，传感器等组成；而软件部分则特定的操作系统，中间件，驱动层，应用层等组成。

二.ROS机器人系统

1.简介
        而提到软件部分，我们就不得不提到一个在机器人领域不可避免的系统——ROS系统。ROS就是传说中的机器人操作系统（Robot Operating System），但其本身并不是一个操作系统，而是可以安装在现在已有的操作系统上（Linux、Windows、Mac）上的软件库和工具集。

        实际上，ROS的作用就是提供一个将机器人硬件部件连接起来的简易的软件系统，同时避免了机器人开发中开发者重复造轮子，大大提升了机器人工程的开发效率。

        ROS为此设计了一整套通信机制（话题、服务、参数、动作）。通过这些通信机制，ROS实现了将机器人的各个组件给的连接起来。

        其中ROS1和ROS2架构分别如下：

  首先我们要了解DDS（Data Distribution Service），这是ROS2中的最重要的协议标准。它通过类似于ROS1中的话题发布和订阅形式来进行通信，同时提供了丰富的服务质量管理来保证可靠性、持久性、传输设置等。 

        围绕DDS又抽象出两层：

• DDS实现层：对不同常见的DDS接口进行再次的封装，让其保持统一性，为DDS抽象层提供统一的API。
• DDS抽象层：这一层将DDS实现层进一步的封装，使得DDS更容易使用。原因在于DDS需要大量的设置和配置（分区，主题名称，发现模式，消息创建,…），这些设置都是在ROS2的抽象层中完成的。

 再往上就是RCL（ROS Client Library）ROS客户端库，是ROS的一种API，提供了对ROS话题、服务、参数、Action等接口。不同语言（Python，C++等）有着不同的RCL库，对应相同的功能。

1.节点
        如果要学习ROS，我们一定要先理解Node（节点）的含义，这是ROS最常用的概念。一般来说，一个节点往往是一个可执行程序（c++，python等），负责执行一个特定的单一任务，比如发送图像数据的节点，控制车辆运动的节点。节点之间可以通过话题topic，服务service，参数parameter和动作action相互通信，形成一个网络拓扑，即 ros graph，最终完成一个复杂的任务，比如自动驾驶车辆。

2.话题
        两个节点node之间需要通信，最重要的方式就是话题 topic ，其相当于一个公共汽车 bus ，里面装载两个节点间约定好格式的消息 msg。

1. 发布/订阅模型：话题是基于发布/订阅模型的通信方式。在这种模型中，数据的生产者（发布者）发布数据到特定的话题，而数据的消费者（订阅者）订阅该话题以接收数据。
2. 数据流：话题可以看作是一个数据流，发布者不断地将数据发送到话题上，而订阅者则从话题上接收这些数据。
3. 非持久性：话题上的数据是实时传输的，一旦发布者发布了数据，订阅者要么即时接收，要么数据就会丢失（除非使用特定的历史记录功能）。

 2.安装
        这里推荐鱼香大大开发的一键安装脚本

        在终端键入：        

wget http://fishros.com/install -O fishros && . fishros

        按照提示依次选择即可安装ROS2。

        3.测试
                第一种测试方法： 

                这里我们启动两个节点（注意要打开两个终端Ctrl+Alt+T分别键入），一个为Listen节点，一个为Speaker节点 ，分别用于收消息和发消息。

ros2 run demo_nodes_py listener
ros2 run demo_nodes_cpp talker

       现象如下： 

  第二种测试方法（小海龟）：

                打开一个终端键入：

ros2 run turtlesim turtlesim_node

                启动小海龟：

再打开一个新的终端，键入：

ros2 run turtlesim turtle_teleop_key

                 这时我们就可以使用键盘的方向键控制小海龟了。注：当我们的聚焦在这个命令的终端时才能有效控制！

     4.可视化 

                ROS系统中有两个极其重要的可视化工具：RQT（Robot Qt Graphics User Interface）和RVIZ（Robot Visualization Tool）。其中RVIZ是一个3D可视化工具，主要用于显示传感器信息，导航地图等信息；RQT则是一个用于创建和管理ROS图形界面的工具，以便开发者实时查看和调试ROS系统。

  RQT：

                这里我们先体验一下RQT，向终端中键入：

rqt

                我们选择选项卡中的Plugins->Introspection->Node Graph 之后就可看到节点相关的信息。

                RVIZ：

                首先必须要先向终端中键入：

source /opt/ros/jazzy/setup.bash

setup.bash：这是一个Bash脚本，它包含了设置ROS环境变量所需的命令。这个脚本通常做了以下几件事情：

设置 ROS_ROOT、ROS_PACKAGE_PATH、ROS_MASTER_URI、ROS_IP 等环境变量。
将ROS的bin目录添加到系统的PATH环境变量中，这样就可以直接在终端中运行ROS命令和节点。
设置其他可能需要的ROS相关的环境变量。
执行这条命令后，你就可以在当前终端会话中使用ROS的命令行工具、运行节点、使用ROS的包等。每次打开新的终端会话时，都需要重新执行这条命令（或者将其添加到你的 .bashrc 或 .bash_profile 文件中，以便在每次打开终端时自动执行）。

                 然后运行以下命令启动RVIZ：

ros2 run rviz2 rviz2

这里只做简单说明：

中间的黑色窗口是 3D 视图。

显示器是指在 3D 世界中绘制某些内容的设备，并且可能在显示器列表中有一些可用选项。例如，点云、机器人状态等。

点击“ADD”即可添加新的显示器。

显示属性：

每个显示器都有自己的属性列表。

 显示状态：

每个显示都有自己的状态，以帮助您了解一切是否正常。状态可以是： OK 、 Warning 、 Error 或 Disabled 。

                RVIZ就简单介绍这些，更多的等日后再学。