1. 学习目标
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ROS2 解决什么问题
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ROS2 系统结构是什么
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ROS2 与 ROS1 有什么区别
2. ROS2 解决什么问题
2.1 背景：机器人软件很复杂
一个完整机器人系统通常由多个子系统组成：
机器人系统 = 传感器 + 算法 + 控制 + 通信
典型机器人软件模块：
激光雷达
相机
IMU
里程计
SLAM
路径规划
运动控制
机械执行
例如一个移动机器人系统：
激光雷达 -> 用于环境感知
相机 -> 视觉识别
IMU -> 姿态估计
SLAM -> 构建地图
导航 -> 路径规划
控制 -> 控制电机运动
这些模块 必须互相通信。
例如：
激光雷达 -> SLAM
SLAM -> 地图
地图 -> 导航
导航 -> 控制
控制 -> 电机
2.2 如果没有 ROS 会发生什么
如果不要 ROS ，开发者通常会：
-
写 socket 通信
-
写 共享内存
-
写 消息队列
-
写 RPC 接口
系统会变成这样：
雷达程序 <-> SLAM 程序
SLAM 程序 <-> 导航程序
导航程序 <-> 控制程序
相机程序 <-> AI 识别
问题：
- 程序耦合性严重
每个模块都必须知道：
IP 地址
通信协议
数据格式
端口
- 系统难以维护
修改一个模块可能影响：
SLAM
导航
控制
- 无法复用
一个项目的代码很难复用到另一个机器人系统
2.3 ROS 的解决方案
ROS 提出一种新的机器人软件架构：
模块化 + 消息通信
核心思想：
把机器人系统拆成多个 独立模块。
每个模块是一个 Node（节点）。
模块之间通过 统一通信机制 进行数据交换。
系统结构：
ROS2通信系统
Node A Node B Node C
| | |
+--------+--------+
数据通信
这样：
-
每个模块独立运行
-
模块之间通过 ROS 通信
-
系统更加可扩展
3. ROS2 系统结构
ROS2 系统的核心思想是：
节点 + 消息通信
ROS2 定义了四种核心通信机制：
Node
Topic
Service
Action
3.1 Node（节点）
Node 是 ROS 系统中的 基本运行单元。
简单理解：
Node = 一个机器人功能模块
例如：
激光雷达驱动节点
相机驱动节点
SLAM 节点
导航节点
电机控制节点
系统示例：
+------------+
| LiDAR Node |
+------------+
+------------+
| Camera Node|
+------------+
+------------+
| SLAM Node |
+------------+
+------------+
| Nav Node |
+------------+
+------------+
| Motor Node |
+------------+
每个 Node：
-
独立运行
-
负责一个功能
-
通过 ROS 通信
3.2 Topic（通信）
Topic 是 发布/订阅通信模型。
结构：
Publisher -> Topic -> Subscriber
示例：
激光雷达节点
|
| 发布数据
v
/scan
|
v
SLAM节点
结构图：
+------------+
| LiDAR Node|
+------------+
|
| publish
v
/scan Topic
|
| subscribe
v
+------------+
| SLAM Node |
+------------+
特点：
-
异步通信
-
多发布者
-
多订阅者
-
适合传感器数据
例如：
雷达 -> SLAM
雷达 -> 避障
雷达 -> 地图构建
3.3 Service（服务通信）
Service 是一种 请求/响应通信机制。
类似：
RPC
HTTP API
函数调用
结构：
Client → Request → Server
Client ← Response ← Server
示例：
导航节点 请求：
reset_map()
地图节点 返回：
OK
结构图：
+-----------+
| Client |
+-----------+
|
| Request
v
+-----------+
| Server |
+-----------+
^
| Response
特点：
-
同步通信
-
一问一答
-
用于控制命令
3.4 Action （任务通信）
Action 用于 长时间任务。
适合场景：
机器人导航
机械臂运动
路径规划
Action 通信包括三个部分：
Goal
Feedback
Result
例子：
机器人导航：
发送目标点
机器人移动
持续反馈位置
到达目标
流程：
Client -> Goal
Server -> Feedback
Server -> Result
3.5 ROS2 系统结构图
ROS2 软件架构：
Application Layer
(机器人算法)
↓
ROS2 Client Library
(rclcpp / rclpy)
↓
RMW Layer
(ROS Middleware)
↓
DDS
(FastDDS / CycloneDDS)
↓
Operating System
(Linux)
简单理解：
机器人算法
↓
ROS2通信接口
↓
DDS通信
↓
操作系统
4. ROS2 与 ROS1 区别
ROS2 是 ROS1 的下一代版本。
最核心区别是：
通信架构不同。
4.1 ROS1 架构
ROS1 使用 中心节点：
ROS Master
系统结构：
Node A
|
Node B → ROS Master
|
Node C
所有节点启动时必须：
向 Master 注册
Master 负责：
节点发现
Topic 管理
连接消息
问题：
单点故障
实时性差
扩展困难
4.2 ROS2 架构
ROS2 取消了 ROS Master。
使用：
DDS 通信中间件
结构：
Node A ←→ Node B
Node B ←→ Node C
Node C ←→ Node A
特点：
去中心化
自动发现节点
高实时性
支持分布式系统
4.3 ROS2 架构优势
ROS2 解决了 ROS1 的多个问题：
| 特性 | ROS1 | ROS2 |
|---|---|---|
| 通信架构 | Master | DDS |
| 实时性 | 较弱 | 强 |
| 分布式 | 一般 | 强 |
| 嵌入式支持 | 较差 | 更好 |
| 安全性 | 无 | 支持 |
5. 总结
ROS2 的核心思想：
模块化机器人软件架构
系统组成：
Node
Topic
Service
Action
软件架构：
机器人应用
↓
ROS2框架
↓
DDS通信
↓
操作系统
6. Q&A
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ROS 为什么需要 Node 结构
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Topic 通信为什么比函数调用好
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ROS2 为什么取消 ROS Master