ROS 机器人操作系统入门#

ROS 解决什么问题#

造一个机器人，你需要协调十几个传感器和执行器。如果每个模块都从头写通信代码，你花在”让东西连起来”上的时间将远超”让机器人变聪明”的时间。

ROS（Robot Operating System）提供了一套分布式通信框架 + 标准化的机器人功能包，让你专注于算法而不是基础设施。

核心概念：节点、话题、服务#

节点（Node）#

ROS 中每个功能模块是一个独立的进程（节点）。例如：摄像头驱动是一个节点，SLAM 算法是另一个节点。它们互相独立，崩溃不影响彼此。

话题（Topic）#

节点之间通过话题传递流式数据——Publish/Subscribe 模式：

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Lidar Driver Node ──→ /scan (sensor_msgs/LaserScan)
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                              ↓
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                      SLAM Node (订阅 /scan，发布 /map)
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                              ↓
5
                      /map (nav_msgs/OccupancyGrid)
6
                              ↓
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                      Navigation Node (订阅 /map)

服务（Service）#

适合请求-响应模式的一次性操作（如”拍一张照片”）：

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# 服务端
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from std_srvs.srv import Trigger
3

4
class CameraNode(Node):
5
    def __init__(self):
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        super().__init__('camera')
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        self.srv = self.create_service(Trigger, 'capture', self.capture_cb)
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    def capture_cb(self, request, response):
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        # 拍照逻辑...
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        response.success = True
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        response.message = "Image captured"
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        return response

ROS 2 相比 ROS 1 的关键改进#

特性	ROS 1	ROS 2
通信协议	自定义 TCP/UDP	DDS（工业标准）
Master 节点	需要 roscore	无中心节点
实时性	不支持	支持（通过 RTI DDS）
多机器人	困难	原生支持
跨平台	Linux	Linux / Windows / macOS

TF2：坐标变换框架#

机器人上每个传感器都有自己的坐标系。TF2 通过维护一棵坐标树来自动管理所有坐标变换：

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map → odom → base_link → lidar_link
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                      → camera_link
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                      → left_wheel
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                      → right_wheel

查询 lidar 到 map 的变换只需要一行代码：

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from tf2_ros import Buffer, TransformListener
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tf_buffer = Buffer()
4
tf_listener = TransformListener(tf_buffer, node)
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# 查询 lidar_frame 在 map 坐标系下的位姿
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transform = tf_buffer.lookup_transform('map', 'lidar_link', rclpy.time.Time())

Navigation2：自主导航栈#

Navigation2 是 ROS 2 的导航框架，提供了一套完整的行为树驱动的自主导航方案：

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传感器数据 → Global Planner（A*/Dijkstra 全局路径）
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           → Local Planner（DWA/TEB 局部避障）
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           → Costmap（代价地图：障碍物 + 膨胀层）
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           → Behavior Tree（协调行为：旋转恢复、重规划等）
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           → Controller（cmd_vel 输出给电机驱动）

基础配置#

只需正确配置 TF 和传感器话题，Navigation2 就能工作：

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planner_server:
2
  ros__parameters:
3
    planner_plugin: "nav2_navfn_planner/NavfnPlanner"
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controller_server:
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  ros__parameters:
7
    controller_plugin: "dwb_core::DWBLocalPlanner"
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local_costmap:
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  ros__parameters:
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    robot_radius: 0.22
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    inflation_layer:
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      inflation_radius: 0.35