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一、什么是ROS？为什么要用它？

定义：ROS（Robot Operating System，机器人操作系统）是一个用于机器人软件开发的开源中间件框架，主要提供消息通信、硬件抽象、驱动程序封装、调试工具等功能。

类比：可以把 ROS 想象成“机器人操作系统中的 Windows/Ubuntu”，它并不控制硬件，但提供了一个模块化通信与协作的平台，让你开发的各个功能模块（如感知、控制、路径规划）能够高效协作。

目标：

        降低机器人系统开发门槛；

        提供可复用的模块；

        方便集成第三方算法与传感器。

二、ROS 系统的核心结构

组件	作用	举例
Node（节点）	功能模块的最小单元	激光雷达节点、路径规划节点
Topic（话题）	异步发布/订阅消息的通道	/scan（激光数据），/cmd_vel（速度控制）
Msg（消息）	Topic 中传输的数据类型	sensor_msgs/LaserScan
Service（服务）	同步请求-响应机制	让机器人执行一次性任务，如"回原点"
Parameter	全局参数服务器，存储配置	传感器偏差、PID参数
Launch file	启动多个节点并设置参数的 xml 脚本	启动整个机器人系统
Master	中央协调器，管理节点名称与注册	ROS 核心组件之一

三、ROS 的运行机制

1. ROS Master

• 所有节点都首先向 master 注册自己

• master 不转发数据，只负责登记“谁是谁”

2. 节点通信方式

• Topic：发布-订阅机制（类似广播）

• Service：请求-应答机制（类似函数调用）

• Action：带反馈的长时间任务（如导航、抓取）

3. 通信协议

• 底层使用 TCPROS（基于 TCP） 或 UDPROS（基于 UDP） 传输

四、ROS 开发实践

语言支持

• ROS1 支持 C++ 和 Python，常用的是：

  • C++：效率高，用于控制与底层设备

  • Python：开发快速，适合逻辑与集成

一个典型流程

# 1. 创建工作空间
mkdir -p ~/catkin_ws/src && cd ~/catkin_ws && catkin_make# 2. 创建功能包
cd src && catkin_create_pkg my_robot std_msgs roscpp rospy# 3. 编写节点
vim src/my_robot/src/talker.cpp

典型代码：C++ 发布话题

ros::Publisher pub = nh.advertise<std_msgs::String>("chatter", 10);
std_msgs::String msg;
msg.data = "Hello ROS!";
pub.publish(msg);

五、ROS 与硬件驱动

如何让 ROS 控制真实机器人？

设备	通常方式
激光雷达	使用厂商提供的 ROS 驱动节点
相机	使用 usb_cam 或 realsense-ros 等包
电机控制板	写串口通信程序，封装成 ROS 节点
IMU/GPS	通常用 serial 或 can 接口，通过 ROS 发布

通常你需要写“驱动层节点（node）”，将硬件数据转换为 ROS 消息，并发布出来供其他模块使用。