ROS 入门指南
ROS (Robot Operating System) 是机器人操作系统，用于编写机器人软件。
什么是 ROS？
ROS 不是传统意义上的操作系统，而是一个中间件或框架，运行在 Linux (Ubuntu) 之上，提供机器人开发所需的通信、硬件抽象、设备驱动等功能。
类比理解：
- Linux 是电脑的"地基"
- ROS 是盖房子的"脚手架"
- 你写的代码是"房子"
核心概念
ROS 的三大核心
INFO
节点 (Node) 是 ROS 中的独立进程，每个节点负责一个具体任务。公司里的不同部门员工，各司其职。
- 摄像头节点 - 负责采集图像
- 激光雷达节点 - 负责采集距离数据
- 导航节点 - 负责规划路径
话题 (Topic) 是节点间传递数据的"管道"，采用发布 - 订阅模式。公司里的公告栏，任何人都可以发布消息，任何人都可以订阅消息。
- 单向通信（发布者 → 订阅者）
- 异步通信（非实时）
- 一对多（一个发布者，多个订阅者）
示例：
/camera/image_raw- 摄像头图像话题/cmd_vel- 速度控制话题/scan- 激光雷达数据话题
服务 (Service) 是节点间的双向通信，采用请求 - 响应模式。客户请求服务，服务器处理后返回结果。
特点：
- 双向通信（请求 → 响应）
- 同步通信（等待响应）
- 一对一（一个客户端，一个服务端）
示例：
/spawn- 生成新的海龟/clear- 清空轨迹/kill- 删除海龟
其他核心概念
| 概念 | 说明 | 类比 |
|---|---|---|
| 消息 (Message) | 话题中传递的数据类型 | 快递包裹 |
| 主节点 (Master) | ROS 的"总机"，管理所有节点和话题 | 公司前台 |
| 工作空间 (Workspace) | 存放 ROS 代码的目录 | 项目文件夹 |
| 功能包 (Package) | ROS 的软件单体（类似库） | npm 包 |
环境安装
系统要求
- 操作系统： Ubuntu 18.04 / 20.04
- ROS 版本： Melodic (18.04) / Noetic (20.04)
一键安装（推荐）
使用 鱼香 ROS 安装脚本 的一键安装脚本：
bash
# 下载安装脚本
wget http://fishros.com/install -O fishros
# 运行脚本
sudo bash fishros1
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注意事项
- 安装 Desktop 版本（带可视化工具），不要选 Server 版
- 如果遇到 "no directory" 错误，把
.换成bash：
bash
bash fishros1
手动安装
参考 ROS 官方教程
验证安装
bash
# 启动 ROS 核心
roscore
# 新开终端，启动小海龟仿真
rosrun turtlesim turtlesim_node
# 再开一个终端，启动键盘控制
rosrun turtlesim turtle_teleop_key1
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如果能用键盘控制小海龟移动，说明安装成功！
常用命令
ROS 运行命令
| 命令 | 功能 | 使用场景 |
|---|---|---|
roscore | 启动 ROS 主节点 | 所有 ROS 操作前必须先运行 |
rosrun | 运行单个节点 | 快速测试单个功能 |
roslaunch | 启动多个节点 | 正式运行系统 |
bash
# roslaunch 示例
roslaunch package_name file.launch1
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话题 (Topic) 命令
bash
# 查看所有活跃话题
rostopic list
# 查看话题信息（类型、发布者、订阅者）
rostopic info /topic_name
# 查看话题消息内容（实时显示）
rostopic echo /topic_name
# 查看话题消息类型
rostopic type /topic_name
# 查看消息类型的详细定义
rostopic type /topic_name | rosmsg show
# 手动发布消息到话题
rostopic pub /topic_name std_msgs/String "data: 'Hello'"
# 测量消息发布频率
rostopic hz /topic_name
# 测量消息带宽
rostopic bw /topic_name1
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实用技巧
查看海龟的位置话题：
bash
# 新开终端
rostopic echo /turtle1/pose1
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用键盘移动海龟时，会实时看到位置数据变化。
服务 (Service) 命令
bash
# 查看所有可用服务
rosservice list
# 查看服务类型
rosservice type /service_name
# 调用服务（重置海龟位置）
rosservice call /reset
# 查看服务参数
rosservice args /service_name1
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消息 (Message) 命令
bash
# 查看所有消息类型
rosmsg list
# 查看消息详细定义
rosmsg show std_msgs/String
# 查看服务类型定义
rossrv show std_srvs/Empty1
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参数服务器命令
bash
# 列出所有参数
rosparam list
# 获取参数值
rosparam get /param_name
# 设置参数值
rosparam set /param_name value
# 删除参数
rosparam delete /param_name
# 从文件加载参数
rosparam load file.yaml
# 保存参数到文件
rosparam dump file.yaml1
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工作空间与功能包
工作空间结构
text
catkin_ws/ # 工作空间根目录
├── src/ # 源代码空间（放功能包）
├── build/ # 编译空间（自动生成）
├── devel/ # 开发空间（可执行文件）
└── install/ # 安装空间（自动生成）1
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创建工作空间
bash
# 创建目录
mkdir -p ~/catkin_ws/src
cd ~/catkin_ws/src
# 初始化工作空间
catkin_init_workspace
# 返回工作空间根目录
cd ~/catkin_ws
# 编译
catkin_make1
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创建功能包
bash
cd ~/catkin_ws/src
# 创建功能包（依赖 std_msgs 和 rospy）
catkin_create_pkg my_package std_msgs rospy roscpp
# 返回根目录编译
cd ~/catkin_ws
catkin_make
# 设置环境变量（每次打开终端都要运行）
source devel/setup.bash1
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永久设置环境变量
将以下命令添加到 ~/.bashrc：
bash
echo "source ~/catkin_ws/devel/setup.bash" >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc1
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功能包结构
text
my_package/ # 功能包根目录
├── CMakeLists.txt # 编译规则
├── package.xml # 包信息（依赖、版本等）
├── src/ # C++ 源代码
├── scripts/ # Python 脚本
├── include/ # C++ 头文件
├── launch/ # Launch 文件
├── msg/ # 自定义消息
├── srv/ # 自定义服务
└── config/ # 配置文件1
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数据记录与回放
ROS Bag
ROS Bag 是 ROS 的数据记录工具，可以记录所有话题消息并回放。
bash
# 记录所有话题
rosbag record -a
# 记录指定话题（生成 subset.bag）
rosbag record -O subset /topic1 /topic2
# 停止记录（Ctrl + C）1
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回放数据
bash
# 查看 bag 文件信息
rosbag info subset.bag
# 正常速度回放
rosbag play subset.bag
# 2 倍速回放
rosbag play -r 2 subset.bag
# 暂停/恢复（空格键）
rosbag play --pause subset.bag1
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应用场景
- 算法调试（不用每次都运行机器人）
- 数据采集（采集传感器数据后离线处理）
- 演示展示（提前录制好演示视频）
可视化工具
RViz - 3D 可视化
RViz 是 ROS 的主要 3D 可视化工具，用于显示机器人模型、传感器数据等。
bash
# 启动 RViz
rosrun rviz rviz1
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常用操作：
- 鼠标左键：旋转视角
- 鼠标中键：平移视角
- 鼠标滚轮：缩放
- 鼠标右键：设置 2D/3D 切换
添加显示内容：
- 点击左下角 "Add" 按钮
- 选择要显示的类型（如 PointCloud2、LaserScan、Image）
- 设置对应的话题
RQt - 2D 可视化
RQt 是 ROS 的 2D 可视化工具集。
bash
# 节点关系图
rosrun rqt_graph rqt_graph
# 数据绘图
rosrun rqt_plot rqt_plot
# 图像查看
rqt_image_view
# 控制台
rqt_console1
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PlotJuggler - 数据绘图
PlotJuggler 是强大的数据可视化工具，比 rqt_plot 更强大。
bash
# 安装
sudo apt-get install ros-noetic-plotjuggler
# 安装 ROS 支持（用于播放 bag 文件）
sudo apt-get install ros-noetic-plotjuggler-ros
# 启动
roscore
rosrun plotjuggler plotjuggler1
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使用方法：
- File → Load DataBag → 选择
.bag文件 - 将话题拖到右侧绘图区域
- 实时查看数据变化
Launch 文件
什么是 Launch 文件？
Launch 文件是 XML 格式的配置文件，用于一次性启动多个节点。
为什么需要 Launch？
手动启动节点：
bash
# 终端 1
roscore
# 终端 2
rosrun package1 node1
# 终端 3
rosrun package2 node2
# 终端 4
rosrun package3 node31
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使用 Launch 文件：
bash
roslaunch my_package all_nodes.launch1
基本 Launch 文件示例
xml
<launch>
<!-- 启动节点 -->
<node pkg="turtlesim" name="sim" type="turtlesim_node"/>
<!-- 启动键盘控制 -->
<node pkg="turtlesim" name="teleop" type="turtle_teleop_key" output="screen"/>
<!-- 设置参数 -->
<param name="background_r" value="128"/>
<!-- 包含其他 launch 文件 -->
<include file="$(find other_package)/launch/other.launch"/>
</launch>1
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常用标签：
| 标签 | 功能 | 常用属性 |
|---|---|---|
<node> | 启动节点 | pkg, type, name, output |
<param> | 设置参数 | name, value |
<rosparam> | 加载参数文件 | file, command |
<include> | 包含其他 launch 文件 | file |
<arg> | 定义参数 | name, default, value |
常用工具
系统监控
bash
# 安装 htop（比 top 更好用的进程监控）
sudo apt-get install htop
# 启动
htop1
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日志清理
ROS 运行会产生大量日志文件，占用磁盘空间。
bash
# 检查日志大小
rosclean check
# 删除日志
rosclean purge1
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进阶话题
自定义消息
- 在功能包中创建
msg目录：
bash
roscd my_package
mkdir msg1
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- 创建消息文件
msg/Person.msg：
msg
string name
uint8 age
float32 height1
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- 修改
package.xml和CMakeLists.txt：
xml
<!-- package.xml -->
<build_depend>message_generation</build_depend>
<exec_depend>message_runtime</exec_depend>1
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cmake
# CMakeLists.txt
find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS
roscpp
rospy
std_msgs
message_generation
)
add_message_files(FILES Person.msg)
generate_messages(DEPENDENCIES std_msgs)1
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- 编译并使用：
bash
cd ~/catkin_ws
catkin_make
source devel/setup.bash1
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节点通信示例
发布者节点 (Python)：
python
#!/usr/bin/env python
import rospy
from std_msgs.msg import String
def talker():
rospy.init_node('talker', anonymous=True)
pub = rospy.Publisher('chatter', String, queue_size=10)
rate = rospy.Rate(10) # 10 Hz
while not rospy.is_shutdown():
hello_str = "Hello World %s" % rospy.get_time()
pub.publish(hello_str)
rate.sleep()
if __name__ == '__main__':
talker()1
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订阅者节点 (Python)：
python
#!/usr/bin/env python
import rospy
from std_msgs.msg import String
def callback(data):
rospy.loginfo("I heard: %s", data.data)
def listener():
rospy.init_node('listener', anonymous=True)
rospy.Subscriber('chatter', String, callback)
rospy.spin() # 保持运行
if __name__ == '__main__':
listener()1
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参考资源
- 鱼香 ROS 安装脚本 - 一键安装工具
- ROS Wiki - 官方文档
- 古月居 ROS 21 讲 - 视频教程