ROS2（Robot Operating System 2）接口详解

ROS2（Robot Operating System 2）采用 DDS（Data Distribution Service）作为底层通信中间件，提供了三种核心通信接口，分别适用于不同的应用场景。

1. ROS2 核心通信接口类型

ROS2 主要提供 Topics（话题）、Services（服务）和 Actions（动作） 三种通信接口 ：

接口类型	通信模型	特点	适用场景
Topics	发布-订阅（Pub-Sub）	异步、多对多、单向数据流	传感器数据、状态流、高频数据
Services	请求-响应（Request-Response）	同步、一对一、阻塞调用	快速查询、配置设置、状态检查
Actions	目标-反馈-结果（Goal-Feedback-Result）	异步、可取消、带进度反馈	长时间任务、机器人动作控制

2. 底层架构：DDS 与 RMW

ROS2 使用 DDS（Data Distribution Service） 作为通信中间件，并设计了 RMW（ROS Middleware Interface） 抽象层来屏蔽不同 DDS 实现之间的差异 。

┌─────────────────────────────────────┐
│        ROS2 应用层 (rclcpp/rclpy)   │
├─────────────────────────────────────┤
│      RMW 抽象层 (统一接口)           │
├─────────────────────────────────────┤
│  Fast DDS │ Cyclone DDS │ RTI DDS  │  ← 可替换的 DDS 实现
└─────────────────────────────────────┘

DDS 核心优势：

• 去中心化架构：无需 ROS Master，节点自动发现
• QoS（服务质量）策略：支持可靠性、持久性、历史深度等配置
• 跨平台与实时性：支持嵌入式系统和实时操作系统

3. 三种接口详解

3.1 Topics（话题）

• 特点：单向、异步、多对多通信
• 典型应用 ：LiDAR 扫描数据（/scan）、相机图像流、IMU/GPS 数据
• 代码示例：

# 发布者
self.publisher = self.create_publisher(String, 'topic', 10)
self.publisher.publish(msg)

# 订阅者  
self.subscription = self.create_subscription(String, 'topic', callback, 10)

3.2 Services（服务）

• 特点：请求-响应模式，同步阻塞调用
• 典型应用：查询电池电量、执行逆运动学计算、校准传感器
• 代码示例：

# 服务端
self.srv = self.create_service(AddTwoInts, 'add_two_ints', callback)

# 客户端
self.client = self.create_client(AddTwoInts, 'add_two_ints')
future = self.client.call_async(request)

3.3 Actions（动作）

• 特点：适合长时间运行任务，支持目标设定、进度反馈和任务取消

• 典型应用：机器人导航到目标点、机械臂抓取操作、充电过程

• 接口定义 （.action 文件）：

  Goal

  geometry_msgs/PoseStamped target_pose
  float32 max_velocity

  Result

  bool success
  string message

  Feedback

  float32 remaining_distance
  float32 current_velocity

4. 自定义接口定义

ROS2 允许通过 .msg、.srv 和 .action 文件自定义接口 ：

custom_interfaces/
├── msg/
│   ├── RobotStatus.msg      # 机器人状态消息
│   └── SensorData.msg       # 传感器数据
├── srv/
│   └── SetJointPosition.srv # 设置关节位置服务
└── action/
    └── Navigate.action      # 导航动作

构建与使用：

# 编译接口包
colcon build --packages-select custom_interfaces

# 查看接口定义
ros2 interface show custom_interfaces/msg/RobotStatus

# 测试发布
ros2 topic pub /robot_status custom_interfaces/msg/RobotStatus "{...}"

5. 接口选择指南

根据官方设计建议 ：

• 使用 Topics：连续数据流（传感器数据、机器人状态），发布者与订阅者解耦
• 使用 Services：快速终止的远程过程调用（查询状态、快速计算），避免用于长时间运行或状态依赖的操作
• 使用 Actions：需要反馈和取消能力的离散行为（移动机器人、长时间运行任务），动作服务器应始终实现抢占（preemption）机制

6. DDS 实现与配置

ROS2 支持多种 DDS 实现（如 Fast DDS、Cyclone DDS），可通过环境变量切换：

# 指定 DDS 实现
export RMW_IMPLEMENTATION=rmw_cyclonedds_cpp

# 查看可用实现
ros2 doctor --report | grep middleware

# 配置 QoS（命令行示例）
ros2 topic pub /chatter std_msgs/msg/Int32 "data: 42" --qos-reliability best_effort

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总结：ROS2 通过 DDS 提供了工业级的通信能力，三种接口（Topics/Services/Actions）覆盖了从实时数据流到复杂机器人任务的全场景需求，配合 QoS 策略可实现高度灵活的系统设计。