【ROS2】MOMO的鱼香ROS2（二）ROS2入门篇——ROS2初体验

引言

笔者跟着鱼香ROS的ROS2学习之旅
学习参考：
【ROS2机器人入门到实战】
笔者的学习目录

1. MOMO的鱼香ROS2（一）ROS2入门篇——从Ubuntu操作系统开启

专业术语认识

1. DDS：Data Distribution Service (数据分发服务)。是由对象管理组 (OMG) 于 2003 年发布并于 2007 年修订的开分布式系统标准。
2. GUI（Graphical User Interface）图形用户界面
3. CLI（Command-Line Interface）命令行界面
4. API（ Application Programming Interface）应用程序编程接口
5. RMW （ROS Middleware Interface）中间件接口

1 认识ROS2

ROS2是在ROS的基础上设计开发的第二代机器人操作系统，可以帮助我们简化机器人开发任务，加速机器人落地的 软件库和工具集 。

1.1 ROS2版本对照表

笔者使用的主要是针对ubuntu18.04 的eloquent和20.04的foxy
ROS2官方更新计划：http://docs.ros.org/en/humble/Releases.html

1.2 ROS与ROS2对比

ROS的不足：
ROS的设计目标是简化机器人的开发，设计了一整套通信机制（话题、服务、参数、动作）。

1. 强依赖Ros Master（主节点）
2. 通信基于TCP实现，实时性差、系统开销大
3. 对Python3支持不友好，需要重新编译
4. 消息机制不兼容
5. 没有加密机制、安全性不高

ROS2的改进：

1. 去中心化master 节点
2. 支持多操作系统：linux、windows、mac，甚至是嵌入式RTOS
3. 采用DDS通信，增强了ROS2的实时性、可靠性和连续性
4. 支持pyhton3
5. 编译系统的改进（catkin到ament）
6. C++标准更新到c++11
7. 可以使用相同 API 的进程间和进程内通信

ROS2自身只做个进程间的通信，节点和节点之间的通信采用的是DDS服务进行

1.3 ROS2架构

1.3.1 DDS实现层

Data Distribution Service (数据分发服务)。是由对象管理组 (OMG) 于 2003 年发布并于 2007 年修订的开分布式系统标准。
通过类似于ROS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。
参考链接：ROS2中间件DDS架构

1.3.2 ROS中间件接口（RMW）

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。

1.3.3 ROS2客户端库 RCL

RCL（ROS Client Library）ROS客户端库，其实就是ROS的一种API，提供了对ROS话题、服务、参数、Action等接口。

GUI（Graphical UserInterface）就是平常我们说的图形用户界面，大家用的Windows是就是可视化的，我们可以通过鼠标点击按钮等图形化交互完成任务。
CLI（Command-Line Interface）就是命令行界面了，我们所用的终端，黑框框就是命令行界面，没有图形化。

API（ Application Programming Interface）应用程序编程接口。API在不同语言中的表现形式不同，在C和C++表现为头文件，在Python中表现为Python文件。

rclc可以实现多个语言的ROS2的库

2 安装ROS2

根据电脑的架构选择合适的ROS2版本
ubuntu18.04 的系统架构为[amd64:bionic]

2.1 ROS安装（一键式）

参考链接：动手安装ROS2

执行下面的命令，然后按照脚本指示文件操作即可

wget http://fishros.com/install -O fishros && . fishros
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选择
[1]:一键安装(推荐):ROS(支持ROS/ROS2,树莓派Jetson)
[1]:更换系统源再继续安装
[2]:更换系统源并清理第三方源
[5]:eloquent(ROS2)
[1]:eloquent(ROS2)桌面版

安装成功在终端输入

ros2
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2.2 Ubuntu 18.04 安装 ROS2 Eloquent

直接在base环境下安装，Ctrl+Alt+T打开终端

2.2.1 添加ROS软件源

echo "deb [arch=$(dpkg --print-architecture)] https://repo.huaweicloud.com/ros2/ubuntu/ $(lsb_release -cs) main" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/ros2.list > /dev/null
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2.2.2 添加公钥

sudo apt install curl gnupg2 -y
curl -s https://gitee.com/ohhuo/rosdistro/raw/master/ros.asc | sudo apt-key add -
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2.2.3 更新

# 确保包索引是最新的
sudo apt update
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2.2.4 安装ros2

sudo apt install ros-eloquent-desktop
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2.2.5 安装依赖

sudo apt install python3-argcomplete -y
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2.2.6 配置环境变量

echo "source /opt/ros/eloquent/setup.bash" >> ~/.bashrc
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2.2.7 卸载

# sudo apt remove ros-[版本]-* 
sudo apt remove ros-eloquent-*
sudo apt autoremove
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2.2.8 ROS2安装路径

cd /opt/ros/eloquent/
ls
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2.3 Ubuntu 20.04 安装 ROS2 Foxy

2.3.1 设置编码

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
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2.3.2 设置软件源

sudo apt update && sudo apt install curl gnupg2 lsb-release
curl -s https://raw.githubusercontent.com/ros/rosdistro/master/ros.asc | sudo apt-key add -

sudo sh -c 'echo "deb [arch=$(dpkg --print-architecture)] http://packages.ros.org/ros2/ubuntu $(lsb_release -cs) main" > /etc/apt/sources.list.d/ros2-latest.list'
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2.3.3 安装 ROS2

sudo apt update
sudo apt install ros-foxy-desktop
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2.3.4 设置环境变量

source /opt/ros/foxy/setup.bash
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2.3.5 安装自动补全工具

sudo apt install python3-argcomplete
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2.3.6 测试

跑几个例程测试一下： 先运行一个 talker：

source /opt/ros/foxy/setup.bash
ros2 run demo_nodes_cpp talker
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再运行一个 Listener

source /opt/ros/foxy/setup.bash
ros2 run demo_nodes_py listener
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ROS2 的 RWM 默认使用的 DDS 是 Fast RTPS，Cyclone DDS 默认也安装好了，还可以这样安装 RTI Connext：

sudo apt update
sudo apt install ros-foxy-rmw-connext-cpp # for RTI Connext (requires license agreement)
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安装之后通过环境变量即可切换 DDS：

RMW_IMPLEMENTATION=rmw_connext_cpp
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如果哪一天不喜欢了，还可以这样删除：

sudo apt remove ros-foxy-* && sudo apt autoremove
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2.4 Ubuntu 22.04 安装 ROS2 Humble

如何在 Ubuntu 22.04（Jammy）上安装 ROS 2 软件包，ROS 2 的版本是当前最新的 Humble Hawksbill。本教程适用于不同的 Ubuntu 发行版，以及 amd64 和 arm64 平台。例如，如果你想要在 Ubuntu 20.04 上安装 ROS 2，只需要将本教程中的 Humble 替换为 Foxy 即可。

2.4.1 准备工作

2.4.1.1 设置语言环境

首先需要确保你所使用的环境支持 UTF-8。一般来说，我们使用的 Linux 发行版都支持 UTF-8 语言环境。但是如果你使用 Docker 容器之类的最小系统，那么可能配置的是最小语言环境，例如 POSIX。可以使用以下命令设置进行测试。

locale  # check for UTF-8

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

locale  # verify settings
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2.4.1.2 设置软件源

使用以下命令将 ROS 2 apt 存储库添加到系统（需要先确保 Ubuntu Universe 存储库 已启用）。

sudo apt install software-properties-common
sudo add-apt-repository universe
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使用 apt 添加 ROS 2 GPG 密钥。

sudo apt update && sudo apt install curl
sudo curl -sSL https://raw.githubusercontent.com/ros/rosdistro/master/ros.key -o /usr/share/keyrings/ros-archive-keyring.gpg
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提示：如果上述命令执行失败，通常是由于 DNS 解析失败导致的，你可以使用 nslookup 命令查询 raw.githubusercontent.com 的域名信息，并将域名及其 IP 地址填到 /etc/hosts 文件进行手动解析。（参考 GitHub 无法读取远程仓库）

然后将存储库添加到系统的软件源列表中。

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
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2.4.2 安装 ROS 2 软件包

2.4.2.1 更新系统

更新 apt 软件包索引信息：

sudo apt update
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2.4.2.2 更新软件包：

sudo apt upgrade
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提示：ROS 2 软件包建立在经常更新的 Ubuntu 系统上，因此我们建议你在安装 ROS 2 软件包之前确保你的系统是最新的。

2.4.2.3 安装 Desktop 版本

执行下面命令安装 Desktop 版本的 ROS 2，这是我们推荐初学者安装的版本，因为 Desktop 版本包含了 ROS、RViz、demos、tutorials 等内容。

sudo apt install ros-humble-desktop
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2.4.2.4 安装 Base 版本

执行下面命令安装 Base 版本的 ROS 2，基础版本包含通信库、消息包、命令行工具，但是没有 GUI 工具。

sudo apt install ros-humble-ros-base
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2.4.2.5 安装开发工具

执行下面命令安装 ROS 开发工具，包括编译器和其他构建 ROS 包的工具。

sudo apt install ros-dev-tools
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2.4.2 设置环境变量

如果前面的安装命令顺利执行完毕，那么你已经成功安装 ROS 2 了。不过在使用之前，我们还需要设置环境变量。

设置的方法是执行 ROS 2 提供的 setup.bash 脚本，例如：

# Replace ".bash" with your shell if you're not using bash
# Possible values are: setup.bash, setup.sh, setup.zsh
source /opt/ros/humble/setup.bash
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2.4.3 测试示例

如果你前面安装的是 ros-humble-desktop 版本，那么可以尝试运行 ROS 2 自带的示例程序 Talker-listener。

打开一个终端，依次执行以下命令，运行 talker 节点：

source /opt/ros/humble/setup.bash
ros2 run demo_nodes_cpp talker
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另开一个终端，依次执行以下命令，运行 listener 节点：

source /opt/ros/humble/setup.bash
ros2 run demo_nodes_py listener
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这时候，你应该会看到 talker 说它正在发布消息，而 listener 说我听到了这些消息。

# talker 节点
$ ros2 run demo_nodes_cpp talker
[INFO] [1677591294.921179014] [talker]: Publishing: 'Hello World: 1'
[INFO] [1677591295.921028802] [talker]: Publishing: 'Hello World: 2'
[INFO] [1677591296.921506241] [talker]: Publishing: 'Hello World: 3'

# listener 节点
$ ros2 run demo_nodes_py listener
[INFO] [1677591294.957119512] [listener]: I heard: [Hello World: 1]
[INFO] [1677591295.925429074] [listener]: I heard: [Hello World: 2]
[INFO] [1677591296.926465954] [listener]: I heard: [Hello World: 3]
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通过该示例，我们可以验证 ROS 2 的 C++ 和 Python API 是否正常工作。

2.4.4 卸载 ROS2

如果你想卸载 ROS 2，或者想从二进制文件安装后切换到基于源的安装，那么可以运行以下命令卸载 ROS 2。

sudo apt remove ~nros-humble-* && sudo apt autoremove
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如果你想将 ROS 2 的软件包信息删除干净，可以执行以下命令。

sudo rm /etc/apt/sources.list.d/ros2.list
sudo apt update
sudo apt autoremove
# Consider upgrading for packages previously shadowed.
sudo apt upgrade
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3 ROS2测试

3.1 listener和talker

启动倾听者

ros2 run demo_nodes_py listener
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启动说话者

ros2 run demo_nodes_cpp talker
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3.2 小海龟

# 终端1
ros2 run turtlesim turtlesim_node
# 终端2
ros2 run turtlesim turtle_teleop_key
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3.3 可视化

rqt
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