第1章：ROS 2 概述与架构设计

课程：ROS2 Python 编程
章节：第1章
课时：2 课时（90 分钟）
教学方式：讲授 + 演示

1.1 ROS 2 发展背景与设计目标

知识点 1.1.1：从 ROS 1 到 ROS 2

ROS（Robot Operating System）最初由 Willow Garage 于 2007 年发布，旨在为机器人软件开发提供统一的分布式框架。ROS 1 在学术界和工业界获得了广泛采用，但随着应用场景从实验室扩展到工业级产品，ROS 1 的局限性逐渐暴露出来：首先是单点故障问题，Master 节点（roscore）是所有通信的中枢，一旦崩溃整个系统便陷入瘫痪；其次是实时性不足，基于 TCP 的通信无法满足硬实时控制的需求；再次是安全性缺失，系统没有内置的认证、授权和加密机制；最后是嵌入式支持薄弱，对资源受限的微控制器支持有限。正是针对这些痛点，2014 年 Open Robotics 启动了 ROS 2 项目，完全重新设计了通信架构。

知识点 1.1.2：ROS 2 版本演进

ROS 2 自 2017 年底发布首个版本以来，以约半年一次的节奏迭代，各主要版本的代号、发布日期与维护状态如下表所示。其中 Humble（2022 年 5 月发布）与 Jazzy（2024 年 5 月发布）为长期支持（LTS）版本，是当前工业界与学术界的主力选择。

本课程基于 ROS 2 Humble (Ubuntu 22.04) 或 ROS 2 Jazzy (Ubuntu 24.04)。

1.2 DDS 中间件架构

知识点 1.2.1：DDS 概念模型

DDS（Data Distribution Service）是 OMG 制定的分布式实时通信标准，ROS 2 采用它替换了 ROS 1 的自定义 TCP/UDP 协议。DDS 与 ROS 2 的核心概念之间存在清晰的对应关系：

DDS 概念          →    ROS 2 概念
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
DomainParticipant →    Node (通过 context)
DataWriter        →    Publisher
DataReader        →    Subscription
Topic             →    Topic
Domain            →    ROS_DOMAIN_ID

图 1-1：DDS 去中心化架构
┌─────────────┐                    ┌─────────────┐
│   Node A    │                    │   Node B    │
│             │                    │             │
│ ┌─────────┐ │    DDS Domain     │ ┌─────────┐ │
│ │Publisher│ │◄════Topic════════►│ │Subscribe│ │
│ └─────────┘ │    (自动发现)      │ └─────────┘ │
└─────────────┘                    └─────────────┘
        │                                  │
        └────────── 去中心化 ───────────────┘
               (无Master节点)

从图 1-1 可以看出，ROS 2 使用 DDS 的自动发现机制，节点可直接对等通信，无需中心化的 Master 节点。

知识点 1.2.2：RMW 抽象层

ROS 2 通过 RMW（ROS MiddleWare）接口抽象不同的 DDS 实现，其分层结构如图 1-2 所示：最上层是用户直接调用的 rclcpp/rclpy API，其下依次是统一的 ROS Client Library（RCL）与中间件抽象层（RMW），再往下则是可以自由切换的 DDS 实现（如 Fast DDS、Cyclone DDS、RTI Connext），底层以 UDP 或共享内存（SHMEM）完成数据传输。

┌──────────────────┐
│  rclcpp / rclpy  │  ← 用户代码 API
├──────────────────┤
│       RCL        │  ← ROS Client Library
├──────────────────┤
│       RMW        │  ← 中间件抽象层 (可替换)
├──────────────────┤
│  Fast DDS /      │
│  Cyclone DDS /   │  ← DDS 实现 (可切换)
│  RTI Connext     │
├──────────────────┤
│   UDP / SHMEM    │  ← 传输层
└──────────────────┘

图 1-2：ROS 2 分层架构。RMW 层允许用户在不修改应用代码的情况下切换不同的 DDS 实现。

知识点 1.2.3：官方要点——分层架构与 DDS 中间件

官方 About ROS 2 文档将 ROS 2 定位为「面向机器人应用的开源中间件框架」，其与 ROS 1 最本质的架构差异在于采用 DDS（Data Distribution Service，数据分发服务）作为通信中间件。DDS 是一种基于发布-订阅模型的数据分发标准，底层使用 RTPS 协议完成数据的可靠传输与节点发现。ROS 2 通过 rmw（ROS 中间件接口）抽象层将上层 API 与具体的 DDS 实现（如 Fast DDS、Cyclone DDS）解耦，用户使用 rclpy/rclcpp 编写的代码可以无缝切换底层供应商。

由于 DDS 本身就是去中心化的，节点之间通过自动发现（Discovery）机制互相感知，不再需要 ROS 1 时代的中央 Master 节点。这一设计带来三个显著收益：其一，系统天然支持多机分布部署，机器人本体与上位机可以位于不同主机；其二，QoS（服务质量）策略内建于通信层，可在可靠传输与实时低延迟之间按需取舍；其三，协议栈符合实时通信标准，为机械臂控制、自动驾驶等硬实时场景提供了基础。

1.3 Quality of Service (QoS) 策略

知识点 1.3.1：QoS 策略维度

QoS 定义了数据传输的质量保证机制，ROS 2 提供以下核心策略维度：

其中 Reliability 决定消息是否重传，Durability 决定后加入的订阅者能否收到历史消息，History 与 Depth 共同控制缓存队列的长度，Deadline、Lifespan 与 Liveliness 则分别约束消息的更新频率、有效时长与发布端存活检测。

知识点 1.3.2：预定义 QoS 配置文件

为了让常见场景开箱即用，ROS 2 在 rclpy.qos 模块中预置了若干配置文件，例如传感器数据流使用高频允许丢包的配置，服务通信则使用可靠传输的配置；同时用户也可以显式构造 QoSProfile 自定义每一维度的取值：

# ROS 2 预定义 QoS 配置文件
from rclpy.qos import QoSProfile, qos_profile_sensor_data, qos_profile_services_default
 
# 传感器数据：高频，允许丢包
qos_sensor = qos_profile_sensor_data  # BEST_EFFORT, KEEP_LAST(5)
 
# 服务通信：可靠传输
qos_service = qos_profile_services_default  # RELIABLE, KEEP_LAST(10)
 
# 自定义 QoS
qos_custom = QoSProfile(
    reliability=rclpy.qos.ReliabilityPolicy.RELIABLE,
    durability=rclpy.qos.DurabilityPolicy.TRANSIENT_LOCAL,
    depth=10
)

1.4 节点生命周期管理

知识点 1.4.1：生命周期状态机

ROS 2 为节点引入了标准化的生命周期状态机，其状态转换关系如图 1-3 所示：节点从 Unconfigured 状态出发，调用 configure() 进入 Inactive，再经 activate() 变为 Active 正常运行；反之可经 deactivate()、cleanup() 逐级退回，并且任意状态下都可以通过 shutdown() 进入 Finalized。

                              configure()
Unconfigured ─────────────────────────► Inactive
     ▲                                      │
     │                                      │ activate()
     │ cleanup()                            ▼
     │                                   Active
     │                                      │
     └────────────────── deactivate() ──────┘

           shutdown() (从任意状态进入 Finalized)

图 1-3：ROS 2 生命周期节点状态转换图。通过状态机管理节点的初始化和资源分配，确保确定的启动和关闭流程。

知识点 1.4.2：生命周期 Python API

在 Python 中实现生命周期节点只需继承 rclpy.lifecycle 模块中的 LifecycleNode，并按需覆写 on_configure、on_activate 等回调，每个回调通过返回 TransitionCallbackReturn.SUCCESS 表示迁移成功：

import rclpy
from rclpy.lifecycle import LifecycleNode, State, TransitionCallbackReturn
 
class MyLifecycleNode(LifecycleNode):
    def __init__(self):
        super().__init__('my_lifecycle_node')
 
    def on_configure(self, state: State):
        # 分配资源、设置参数
        self.get_logger().info('on_configure() called')
        return TransitionCallbackReturn.SUCCESS
 
    def on_activate(self, state: State):
        # 开始处理数据
        self.get_logger().info('on_activate() called')
        return TransitionCallbackReturn.SUCCESS
 
    def on_deactivate(self, state: State):
        # 停止处理
        self.get_logger().info('on_deactivate() called')
        return TransitionCallbackReturn.SUCCESS
 
    def on_cleanup(self, state: State):
        # 释放资源
        self.get_logger().info('on_cleanup() called')
        return TransitionCallbackReturn.SUCCESS

知识点 1.4.3：官方要点——生命周期节点设计动机

官方 Concepts 文档中的 About Lifecycle Nodes 页面解释了生命周期（Lifecycle）节点的设计动机：机器人系统中的硬件驱动、导航算法等组件需要有序的初始化与关停流程，而非一启动就全速运行。生命周期节点将运行状态划分为未配置（Unconfigured）、未激活（Inactive）、激活（Active）与已停止（Shutdown）等状态，外部通过服务调用触发状态迁移。

例如导航系统加载代价地图时，需要先完成参数读取与地图订阅初始化（Unconfigured → Inactive），再一次性切换到 Active 开始运行。rclpy/rclcpp 官方示例包（ros2/examples）提供了完整的生命周期节点实现，与本章演示的生命周期状态机一一对应，可作为进阶实现参考。

1.5 安装与环境搭建

知识点 1.5.1：安装 ROS 2 Humble

在 Ubuntu 22.04 上安装 ROS 2 Humble 分为三步：首先设置系统 locale 并为 apt 添加 ROS 2 软件源，然后安装 ros-humble-desktop-full 完整版，最后安装 colcon、rosdep、vcstool 等开发工具，具体命令如下：

# 设置 locale
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
 
# 添加 ROS 2 仓库
sudo apt install software-properties-common
sudo add-apt-repository universe
sudo apt update && sudo apt install curl -y
sudo curl -sSL https://raw.githubusercontent.com/ros/rosdistro/master/ros.key \
  -o /usr/share/keyrings/ros-archive-keyring.gpg
 
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
 
# 安装 ROS 2 Humble 完整版
sudo apt update
sudo apt install ros-humble-desktop-full
 
# 安装开发工具
sudo apt install python3-colcon-common-extensions python3-rosdep python3-vcstool

知识点 1.5.2：配置开发环境

安装完成后，需要把 ROS 2 的环境变量写入 ~/.bashrc 以便每次新开终端自动加载，并初始化 rosdep 用于后续解析包的依赖：

# 将 ROS 2 环境变量添加到 ~/.bashrc
echo "source /opt/ros/humble/setup.bash" >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc
 
# 初始化 rosdep（用于安装包依赖）
sudo rosdep init
rosdep update

知识点 1.5.3：工作空间与 colcon 构建

开发机器人功能包时，通常先在主目录下创建 ~/ros2_ws 工作空间并建立 src 子目录存放源码，随后用 colcon 构建整个空间，构建完成后加载 install/setup.bash 即可运行其中的节点，最后用官方的 talker/listener 示例节点验证整个环境是否可用：

# 创建工作空间
mkdir -p ~/ros2_ws/src
cd ~/ros2_ws
 
# 编译工作空间
colcon build --symlink-install
 
# 加载工作空间环境
source install/setup.bash
 
# 验证安装
ros2 run demo_nodes_cpp talker
# 在另一个终端：
ros2 run demo_nodes_py listener

知识点 1.5.4：官方要点——快速上手：turtlesim 与命令行工具

官方 Beginner: CLI Tools 系列教程以小乌龟仿真 turtlesim 为教学道具：在终端一运行 ros2 run turtlesim turtle_sim_node 启动乌龟仿真器，终端二运行 ros2 run turtlesim turtle_teleop_key 即可用方向键控制乌龟运动。教程刻意引导读者用 ros2 node list、ros2 node info、ros2 topic list、ros2 service list 等命令观察图形界面背后的节点、话题与服务实体，并演示节点重命名（--ros-args -r __node:=my_turtle）。

这一步与本章练习的仿真节点观察实验思路完全一致：从「黑盒」现象出发，借助命令行工具建立对 ROS 2 实体模型的直观认识。The Construct 的 5 天入门课也保留了这一「先跑仿真、再读命令」的教学法，Articulated Robotics 的视频系列则以更口语化的方式逐条演示这些命令，适合中文读者对照复习。

知识点 1.5.5：官方要点——工作区与 colcon 构建系统

官方 colcon 教程介绍了标准工作区布局：src/（源码）、build/（中间产物）、install/（安装产物）、log/（日志）四个目录。构建命令 colcon build 会递归编译所有包，常用选项包括 --packages-select <pkg>（只编译指定包）、--symlink-install（Python 包以符号链接安装，改代码免重编）以及 --merge-install（合并安装，适合在嵌入式/容器中运行）。

Articulated Robotics 强调初学者应形成「修改源码 → colcon build --symlink-install → source install/setup.bash → ros2 run」的日常循环，并提醒每次新开终端都要重新 source，否则会出现 Package 'x' not found 的错误——这是 ROS 2 初学者最高频的报错之一，根源正是环境变量（如 AMENT_PREFIX_PATH、LD_LIBRARY_PATH）未正确加载。

1.6 本章小结

本章围绕 ROS 2 的设计理念与核心机制展开。首先回顾了 ROS 1 在单点故障、实时性、安全性与嵌入式支持四方面的局限，以及 ROS 2 如何通过全新的通信架构解决这些问题。随后介绍了 DDS 中间件的去中心化自动发现机制：节点之间不再依赖中央 Master，而是通过对等发现直接通信，且底层 DDS 实现可以通过 RMW 抽象层自由切换。在通信质量层面，QoS 策略从可靠性、持久性、历史缓存、队列深度、截止时间、存活周期与存活检测等多个维度提供细粒度的保障。此外，生命周期节点通过标准状态机统一管理节点的配置、激活与关闭流程，保证系统启动和退出行为确定可控。在环境搭建方面，本章给出了 ROS 2 Humble/Jazzy 的 apt 安装步骤，并介绍了以 colcon 为标准构建工具的工作空间管理方式。

1.7 练习题

练习 1.1：简述 ROS 1 的三个主要局限性和 ROS 2 对应的解决方案。

ros1依赖master，存在中心节点————ros2使用dds通信机制，节点之间可以自动发现彼此 ros1不太能实时控制并传输，通信策略单一————Qos通信，根据不同数据类型设置可靠性队列深度。。。 ros1多机器人、多实验环境相互干扰————通过ROS_DOMAIN_ID划分通信领域 练习 1.2：DDS 域 ID（ROS_DOMAIN_ID）的作用是什么？如果两台机器上的域 ID 不同，它们的节点能通信吗？

作用是隔离通信环境。id不同一般不会互相发现和通信 练习 1.3：以下 QoS 配置能否匹配通信？

• Publisher: RELIABLE, VOLATILE
• Subscriber: BEST_EFFORT, VOLATILE 可以。Publisher 使用 RELIABLE，提供可靠传输能力；Subscriber 使用 BEST_EFFORT，只要求尽力接收，因此发布者能力满足订阅者需求。两者 Durability 都为 VOLATILE，也能够匹配。 练习 1.4：查看当前 ROS_DOMAIN_ID 环境变量值，将其修改为 42 并验证。

练习 1.5：创建一个 ROS 2 工作空间，使用 colcon build 编译，并验证 setup.bash 加载。

练习 1.6：运行 talker/listener 示例节点，使用 ros2 node list 和 ros2 topic list 查看运行状态。

仿真结合实例（当前仓库）：Gazebo Harmonic 仿真中的 ROS 2 体系验证

目标与知识点对应

本实例把第1章的三个核心概念——DDS 分布式通信、去中心化自动发现、ROS_DOMAIN_ID 域隔离、QoS 策略——放到一个真实的 Gazebo 仿真中验证。当前仓库使用 ROS 2 Jazzy + Gazebo Sim Harmonic，移动机器人入口为 robot_sim_demo。通过观察一个仿真世界里的节点、话题和桥接关系，你能直观理解 DDS 中间件如何在节点之间自动建立连接。

运行命令

在工作区根目录执行，先加载 ROS 2 与工作空间环境：

source /opt/ros/jazzy/setup.bash
source install/setup.bash
 
# 终端 1：启动 Gazebo + 机器人 + 传感器桥（带 RViz）
ros2 launch robot_sim_demo gazebo2.launch.py gui:=true rviz:=true drive:=false

等待 Gazebo 3D 场景出现 TurtleBot3 Burger 机器人、RViz 显示机器人模型与激光雷达点云。随后在独立终端（同样先 source 环境）观察：

# 查看自动发现到的所有节点（DDS 去中心化发现）
ros2 node list
 
# 查看传感器桥发布的话题及其 QoS 与类型
ros2 topic list
ros2 topic info /scan

需要观察到的现象

运行上述命令后应重点观察三类现象。其一，ros2 node list 能看到 gazebo2_bridge、gazebo2_robot_state_publisher、camera_info_publisher 等多个节点，且它们没有中心 master，全部靠 DDS 自动发现（对应 1.1-1.2 节）。其二，ros2 topic info /scan 显示 Message type: sensor_msgs/msg/LaserScan，桥接发布者采用 Lazy 桥（未匹配到订阅者时不发送），体现 QoS Durability/History 的实际影响。其三，在另一个带 source 的终端重新指定一个 ROS_DOMAIN_ID 再执行 ros2 node list，可以看到它与仿真图隔离，对应 1.2.2 节与练习 1.2。

源码与相关位置

本实例涉及的关键文件包括：启动入口位于 src/robot_sim_demo/launch/gazebo2.launch.py，桥配置位于 src/robot_sim_demo/config/gazebo2_bridge.yaml，相机内参发布器位于 src/robot_sim_demo/robot_sim_demo/camera_info_publisher.py，世界与模型文件则位于 src/robot_sim_demo/worlds/museum.sdf 和 src/robot_sim_demo/models/turtlebot3_burger/model.sdf。

说明：真实运行证据（检测到 /clock、/scan、/odom、/tf 桥接）见 lab_manuals/images/runtime/ch09_gazebo_headless.png 及配套 .cast。

学习材料：

• ROS 2 Documentation (Humble) —— About ROS 2：https://docs.ros.org/en/humble/About/About-ROS-2.html
• ROS 2 Documentation (Humble) —— ROS 2 Concepts：https://docs.ros.org/en/humble/Concepts.html
• ROS 2 Documentation (Humble) —— Beginner: CLI Tools（turtlesim 入门）：https://docs.ros.org/en/humble/Tutorials/Beginner-CLI-Tools.html
• ROS 2 Documentation (Humble) —— 使用 colcon 构建工作区：https://docs.ros.org/en/humble/Tutorials/Beginner-Client-Libraries/Colcon-Tutorial.html
• ROS 2 Documentation (Humble) —— About Lifecycle Nodes：https://docs.ros.org/en/humble/Concepts/About-Lifecycle-Nodes.html
• The Construct —— ROS 2 Basics in 5 Days：https://www.theconstructsim.com/
• Articulated Robotics —— ROS 2 Basics 系列视频：https://www.youtube.com/@ArticulatedRobotics