ROS 入门：核心概念与编程基础

ROS
4.3k 词

重新系统学习 ROS 过程中的笔记整理，涵盖通信机制、参数系统、时间管理和常用编程模式。

通信机制

话题（Topic）vs 服务（Service）

Topic（话题） Service（服务）
通信模式 发布/订阅 请求/响应
同步性 异步 同步
缓冲区 有 无
实时性 弱 强
结点关系 多对多 一对多（一个Server）
数据类型 msg srv
适用场景 连续高频数据（雷达、里程计） 偶发性逻辑处理（拍照、语音识别）

服务通信适用于对实时性有要求、并有一定逻辑处理的应用场景。话题通信虽实时性不高，但传输效率明显高于服务通信。

服务通信流程

服务通信涉及三个角色：

  • master（管理者）：保管 server 和 client 注册信息，匹配并帮助建立连接
  • server（服务端）：接收请求并响应
  • client（客户端）：发送请求

通信建立在请求响应模式之上，一个节点发送数据后能接收到另一个节点返回的数据。

NodeHandle 与命名空间

NodeHandle 是 ROS 中与节点交互的核心句柄。它不是一个简单的指针，而是系统管理的引用标识——有一个固定的地址指向固定位置，而该位置中的值可以动态变化。

全局 vs 局部命名空间

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ros::NodeHandle n;       // 全局命名空间
ros::NodeHandle nh("~"); // 局部命名空间（使用节点名作为命名空间）

命名规则：

类型 示例 说明
全局名称 /global/name 以 / 开头，全局可访问
相对名称 relative/name 基于默认命名空间
私有名称 ~private/name 基于节点全局名称

实际示例：

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// 用例1：无默认命名空间
ros::NodeHandle nh;
nh.advertise<Msg>("person_topic", 1);  // → /person_topic

// 用例2：有默认命名空间
ros::NodeHandle nh("namespace");
nh.advertise<Msg>("person_topic", 1);  // → /namespace/person_topic

// 用例3：topic 本身是全局名
ros::NodeHandle nh("namespace");
nh.advertise<Msg>("/person_topic", 1); // → /person_topic（全局优先）

// 用例4：私有命名空间（节点名 cpp_talker）
ros::NodeHandle nh("~");
nh.advertise<Msg>("person_topic", 1);  // → /cpp_talker/person_topic

私有名称不使用当前默认命名空间，而是用节点的全局名称作为命名空间。

参数系统

参数本质是一个中央注册表，支持增删改查。代码和 launch 文件中都可以设置，launch 文件的参数会覆盖代码中的参数。

roscpp 中的两套参数 API

推荐使用 ros::param 方式——它给人的感觉是参数操作是静态的、实例无关的，更符合”参数”的本质。

ros::param 方式：

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#include <ros/ros.h>

int main(int argc, char **argv) {
    ros::init(argc, argv, "param_demo");
    ros::NodeHandle nh;
    int p1, p2, p3, p4, p5;

    // Get
    ros::param::get("param1", p1);

    // Set
    p4 = 4;
    ros::param::set("param4", p4);

    // Check
    if (ros::param::has("param6")) { /* exists */ }

    // Delete
    ros::param::del("param6");

    // Get all param names (ROS Indigo+)
    std::vector<std::string> keys;
    ros::param::search(keys);
    return 0;
}

ros::NodeHandle 方式：

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ros::NodeHandle nh;
int p2, p3, p5;

nh.getParam("param2", p2);           // Get
nh.param("param3", p3, 33333);      // Get with default
nh.setParam("param5", p5);           // Set
nh.hasParam("param5");               // Check
nh.deleteParam("param5");            // Delete
nh.getParamNames(keys);              // Get all names

launch 文件中加载参数

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<launch>
    <!-- 全局参数：在 node 标签外 -->
    <param name="serial" value="5" />
    
    <node name="name_demo" pkg="name_demo" type="name_demo" output="screen">
        <!-- 局部参数：在 node 标签内 -->
        <param name="serial" value="10" />
    </node>
</launch>

读取全局与局部参数：

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ros::NodeHandle nh_global;
ros::NodeHandle nh_local("~");

nh_global.getParam("serial", num);            // 获取全局 serial
nh_global.getParam("name_demo/serial", num);  // 获取局部 serial
nh_local.getParam("serial", num);             // 获取局部 serial
nh_local.getParam("/serial", num);            // 获取全局 serial

arg 传参

arg 的优势在于不修改 launch 文件就能改变参数值：

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<arg name="a" default="1" />
<arg name="b" default="2" />

命令行覆盖：

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roslaunch my_pkg launch_file.launch a:=10 b:=20

YAML 参数文件

当系统复杂时，用 YAML 文件集中管理参数：

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<rosparam file="$(find pkg)/config/params.yaml" command="load" ns="namespace" />

等价于终端命令：rosparam load params.yaml

时间管理

ros::Time 与仿真时间

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ros::Time now = ros::Time::now();  // 系统时间或仿真时间，取决于 use_sim_time
  • use_sim_time=true → 输出仿真时间（如 rosbag 回放的时间）
  • use_sim_time=false → 输出系统时间

设置 use_sim_time：

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<!-- launch 文件 -->
<param name="use_sim_time" value="false" />
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# 终端
rosparam set use_sim_time true

如果使用模拟时钟，ros::Time::now() 在收到第一条 /clock 消息前返回 0。需要真实时间时，使用 ros::WallTime::now()。

ros::Duration

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ros::Time begin = ros::Time::now();
ros::Duration(0.1);               // 0.1 秒
ros::Duration(60);                // 60 秒
ros::Duration(begin, ros::Time::now());  // 时间差

定时器 ros::Timer

定时器每隔一段时间调用一次回调函数：

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// 创建定时器
ros::Timer timer = nh.createTimer(ros::Duration(0.1), timerCallback);

// 完整签名
ros::Timer createTimer(ros::Duration period, callback, bool oneshot = false);
  • period：回调间隔，如 ros::Duration(0.1) 即每 0.1 秒
  • oneshot：是否只执行一次

定时器可通过 stop()、setPeriod()、start() 重置：

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void timerCallback(const ros::TimerEvent& e);  // 必须带参数

ros::TimerEvent 提供时间诊断信息：last_expected、last_real、current_expected、current_real。

调试技巧

日志打印

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ROS_INFO_STREAM_ONCE("只打印一次");                           // 确认数据接收但不刷屏
ROS_INFO_STREAM_THROTTLE(0.5, "每0.5秒打印一次");             // 降低高频回调的日志量

查看日志：rqt_console

过滤日志等级：rosrun rqt_logger_level rqt_logger_level

Debug 信息默认不显示，需要先启动 rqt_logger_level 手动开启。

相关链接