Week 8: ROS2 中级实践与工具链

本周概览

• ROS2 Launch 文件编写与多节点管理
• RViz2 3D 可视化配置
• ROS2 Bag 数据录制与回放
• 自定义 ROS2 消息与服务接口

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1. ROS2 Launch 文件

为什么需要 Launch 文件？

手动启动多个 ROS2 节点需要打开多个终端，逐个运行 ros2 run。Launch 文件将节点启动、参数配置、生命周期管理集中到一个 Python 脚本中，一键启动整个系统。

Python Launch 示例

from launch import LaunchDescription
from launch_ros.actions import Node

def generate_launch_description():
    return LaunchDescription([
        # 节点1：小乌龟仿真器
        Node(
            package='turtlesim',
            executable='turtlesim_node',
            name='sim',
            output='screen'
        ),
        # 节点2：键盘遥控
        Node(
            package='turtlesim',
            executable='turtle_teleop_key',
            name='teleop',
            prefix='xterm -e',  # 在新终端窗口打开
            output='screen'
        ),
    ])

运行 Launch 文件

# 方式1：直接运行 Python 文件
ros2 launch <package> <launch_file>

# 方式2：在包外运行
ros2 launch path/to/my_launch.py

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2. RViz2 3D 可视化

RViz2 是 ROS2 的标准 3D 可视化工具，核心功能包括：

显示类型	对应话题	用途
RobotModel	/robot_description	显示机器人 URDF 模型
TF	/tf	显示坐标帧和变换关系
LaserScan	/scan	显示2D激光雷达数据
PointCloud2	/points	显示3D点云
Image	/camera/image	显示相机图像
Path	/plan	显示规划路径
Odometry	/odom	显示里程计轨迹

基本使用

# 启动 RViz2
rviz2

# 配合 robot_state_publisher 显示机器人模型
ros2 launch urdf_tutorial display.launch.py model:=path/to/robot.urdf

RViz2 配置要点

• Fixed Frame：必须设置为存在的坐标帧（通常 map 或 odom）
• Topic 可靠性：QoS 设置需与发布端匹配（Reliable vs Best Effort）
• 显示效率：大量点云时可降低 Decay Time 减少渲染负担

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3. ROS2 Bag 数据录制与回放

Bag 是 ROS2 的数据记录格式，相当于机器人系统的”行车记录仪”——录制传感器数据后，可离线反复回放和调试算法。

# 录制指定话题
ros2 bag record -o my_experiment /turtle1/pose /turtle1/cmd_vel

# 录制所有话题
ros2 bag record -a -o full_recording

# 查看 Bag 文件信息
ros2 bag info my_experiment

# 回放 Bag 数据（消息带上原始时间戳）
ros2 bag play my_experiment

# 回放并倍速（2x）
ros2 bag play my_experiment --rate 2.0

典型场景

1. 在真实机器人上录制一次传感器数据
2. 回到实验室后反复回放，离线调试感知/规划算法
3. 比对不同算法在同一数据上的表现

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4. 自定义消息接口

创建自定义消息

在 ROS2 包中定义 .msg 文件：

# MySensor.msg
std_msgs/Header header  # 时间戳和 frame_id
int32 sensor_id
string sensor_name
float64[] readings
bool is_calibrated

配置 CMakeLists.txt 和 package.xml

<!-- package.xml -->
<build_depend>rosidl_default_generators</build_depend>
<exec_depend>rosidl_default_runtime</exec_depend>

# CMakeLists.txt
rosidl_generate_interfaces(${PROJECT_NAME}
  "msg/MySensor.msg"
)

编译和使用

colcon build --packages-select my_package
source install/setup.bash

# 查看生成的消息
ros2 interface show my_package/msg/MySensor

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作业截图

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踩坑记录

问题	原因	解决方案
Launch 文件中节点启动后立刻退出	未设置 output='screen' 或节点缺少依赖	添加 output='screen' 查看日志，检查依赖安装
RViz2 中不显示机器人模型	robot_description 参数未设置	ros2 param get /rviz2 robot_description 确认
Bag 回放话题名不匹配	录制和播放时话题名不一致	ros2 bag play xxx --remap /old_topic:=/new_topic
自定义消息编译失败	缺少 rosidl 依赖	sudo apt install ros-humble-rosidl-default-generators

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总结

本周掌握了 ROS2 中级工具链的使用：

1. Launch 自动化：一个命令启动整个机器人系统
2. RViz2 可视化：3D 实时显示机器人模型、传感器数据和导航路径
3. Bag 数据管理：录制-回放-分析的工作流，支持离线算法调试
4. 自定义接口：扩展 ROS2 消息体系以满足项目特定需求

这些工具链构成了实际机器人项目开发的标准工程环境。

代码说明

turtlesim_launch.py — ROS2 Launch 文件

• 一键启动 turtlesim 仿真器 + 键盘遥控
• 声明启动参数 (turtle_name, use_keyboard) 支持条件启动
• 展示 Node 配置的完整语法 (parameters, remappings, prefix)

my_robot.urdf — 差分驱动机器人 URDF 模型

• 6 个 link: base_footprint, base_link, left_wheel, right_wheel, front_caster, lidar_frame
• 定义可视化几何体、碰撞检测、惯性参数
• 差分驱动轮 (continuous joint) + 前万向轮支撑

record_bag.sh — ROS2 Bag 录制/回放脚本

• 支持 record / play / play2x / info 四个子命令
• 默认录制 /turtle1/pose 和 /turtle1/cmd_vel 话题

MySensor.msg — 自定义 ROS2 消息接口

• 包含 sensor_id, sensor_name, readings[], is_calibrated 字段
• 遵循 rosidl 接口生成规范

运行方式

cd week8

# Launch 文件
ros2 launch turtlesim_launch.py

# URDF 可视化
ros2 launch urdf_tutorial display.launch.py model:=./my_robot.urdf

# Bag 录制
chmod +x record_bag.sh
./record_bag.sh record     # 录制
./record_bag.sh play       # 回放
./record_bag.sh info       # 查看信息

# 自定义消息 (需放在 ROS2 包中)
# 在 CMakeLists.txt 和 package.xml 中配置 rosidl_generate_interfaces
colcon build --packages-select my_package