Week 2: ROS2 环境配置与基础 CLI

本周概览

ROS2 Humble 一键安装（鱼香ROS）
ROS2 核心概念：节点 (Node)、话题 (Topic)、消息 (Message)
turtlesim 小乌龟仿真入门
colcon 构建工具与 ROS2 工作空间

1. ROS2 简介

ROS2（Robot Operating System 2）是用于机器人开发的开源中间件框架。相比 ROS1，ROS2 的核心改进：

特性	ROS1	ROS2
通信协议	自定义 TCP/UDP	DDS（Data Distribution Service）
操作系统	仅 Ubuntu	Ubuntu / Windows / macOS
实时性	不支持	支持 Real-Time
多机器人	需额外配置	原生支持分布式
节点生命周期	无管理	Managed nodes

ROS2 核心通信模型

Node A (Publisher) ──Topic(/turtle1/cmd_vel)──▶ Node B (Subscriber)
                                                  │
                    Node C (Service Server) ◀─── Service Call ─── Node D (Client)

话题 (Topic)：单向异步数据流，发布/订阅模式，用于传感器数据、控制指令等持续数据
服务 (Service)：双向同步请求/响应，用于配置、触发动作等一次性操作
动作 (Action)：带反馈的长时间任务，如导航、抓取

2. ROS2 Humble 安装

使用鱼香ROS一键安装脚本（国内推荐，自动处理依赖和镜像源）：

# 下载安装脚本
wget http://fishros.com/install -O fishros

# 运行安装（选择 ROS2 Humble）
bash fishros

# 配置环境变量
source ~/.bashrc

💡 为什么选 Humble？ Humble Hawksbill 是 ROS2 的 LTS（长期支持）版本，支持 Ubuntu 22.04，社区生态最完善。后续 Iron 版本引入了更多新特性，但 Humble 仍是课程推荐版本。

验证安装

# 检查 ROS2 环境
echo $ROS_DISTRO    # 应输出 humble

# 查看 ROS2 版本
ros2 --version

# 运行第一个 ROS2 节点
ros2 run turtlesim turtlesim_node

3. turtlesim 小乌龟仿真

turtlesim 是 ROS2 内置的教学仿真器，用于学习话题通信、服务调用等核心概念。

关键命令

# 启动小乌龟仿真器（节点1）
ros2 run turtlesim turtlesim_node

# 新终端：键盘遥控（节点2）
ros2 run turtlesim turtle_teleop_key

# 查看当前运行的节点列表
ros2 node list

# 查看节点信息（订阅/发布的话题、提供的服务）
ros2 node info /turtlesim

# 查看所有活跃的话题
ros2 topic list

# 查看话题的发布频率和数据
ros2 topic echo /turtle1/pose

# 查看话题的消息类型
ros2 topic info /turtle1/cmd_vel

消息类型

/turtle1/cmd_vel 话题使用 geometry_msgs/msg/Twist 类型：

Vector3 linear:
  float64 x  # 线速度 x (前进/后退)
  float64 y  # 线速度 y (左右平移)
  float64 z
Vector3 angular:
  float64 x
  float64 y
  float64 z  # 角速度 z (左右转向)

作业截图

小乌龟启动界面

踩坑记录

问题	原因	解决方案
`ros2: command not found`	未 source 环境变量	执行 `source /opt/ros/humble/setup.bash` 或重开终端
小乌龟窗口闪退	X11 显示未配置	WSL2 需安装 VcXsrv 或使用 `export DISPLAY=:0`
`bash fishros` 下载慢	网络问题	挂代理或手动从清华镜像安装
WSL2 中 GUI 不显示	缺少图形转发	安装 `sudo apt install x11-apps` 并配置 DISPLAY

总结

本周掌握了 ROS2 的核心入门技能：

ROS2 架构理解：节点-话题-消息的发布/订阅通信模型
环境搭建：通过鱼香ROS高效完成 Humble 版本安装和配置
turtlesim 实践：使用 ros2 node/topic 命令行工具完成了第一个仿真实验
消息机制：理解了 Twist 消息结构如何控制小乌龟的运动

这些基础为后续的机器人运动学、传感器数据处理和仿真实验提供了命令行的交互基础。

代码说明

本周补充了两个 Python 脚本用于 ROS2 通信实验：

turtle_controller.py — 小乌龟速度控制器

向 /turtle1/cmd_vel 话题发布 Twist 速度指令
实现分阶段运动：前进 → 旋转 → 弧线 → 停止
使用 create_publisher + create_timer 实现周期性控制

turtle_pose_listener.py — 小乌龟位置监听器

订阅 /turtle1/pose 话题，接收 Pose 消息
实时打印位置坐标 (x, y)、朝向角 θ、线速度和角速度
使用 create_subscription 注册回调函数

运行方式

# 终端1: 启动小乌龟仿真器
ros2 run turtlesim turtlesim_node

# 终端2: 运行控制器 (小乌龟自动运动)
cd week2
python3 turtle_controller.py

# 或终端2: 运行位置监听器 (观察小乌龟位置)
python3 turtle_pose_listener.py