ROS2从入门到实战：去中心化机器人操作系统详解

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本文是独立成篇的 ROS2 笔记，涵盖从命令行到仿真的全链路。建议配合 Ubuntu 22.04 + Humble 食用。

1. 什么是 ROS2？为什么要用它？

ROS 全称 Robot Operating System，它不是传统意义的操作系统 （像 Linux/Windows），而是一套运行在 Linux 上的 机器人软件框架：

硬件抽象： 屏蔽雷达、摄像头、IMU、电机驱动的底层差异
中间件： 提供标准化的节点间通信（类似你之前学的 MQTT，但更强大）
工具链： 调试、可视化（RViz2）、仿真（Gazebo）、录包（bag）
算法库： 导航 Nav2、建图 SLAM、MoveIt2 机械臂规划，开箱即用

不用 ROS2 的痛点：

假设机器人有 3个模块：激光雷达、摄像头、底盘控制，由3个团队开发。

没 ROS2：雷达团队写个 socket 发数据，摄像头团队写个串口，底盘团队写个 CAN，接口对不上，联调地狱。
有 ROS2：大家都说 Topic 普通话，雷达发 /scan，导航订阅 /scan，底盘订阅 /cmd_vel，即插即用。

2. ROS1 vs ROS2：一次颠覆性的重构

特性	ROS1 (Noetic)	ROS2 (Humble/Iron)
核心架构	中心化，必须有一个 `roscore / Master` 节点，Master挂了全挂	去中心化，无Master，基于 DDS 自动发现，无单点故障
通信中间件	自定义 TCPROS/UDPROS	DDS 标准（工业级，航空/国防在用）
实时性	弱，TCP延迟不可控	强，DDS 可配置 QoS 实时策略
跨平台	主要 Linux	Linux/Windows/macOS/RTOS
构建系统	catkin	ament + colcon
Python	Python2	Python3
节点生命周期	无，节点启动即运行	有，可配置 unconfigured/inactive/active/shutdown，适合产品
安全性	无加密	SROS2 支持认证加密

一句话总结：ROS1 是实验室玩具，ROS2 是能上产线的商业系统。

3. ROS2 架构：五层分层模型

从底到顶：

DDS层 (Data Distribution Service)： 厂商实现，Fast DDS（默认）、CycloneDDS、Connext。负责真正的网络传输，UDP多播/单播、共享内存。
RMW层 (ROS Middleware Interface)： 抽象层，把不同厂商 DDS API 统一成一套标准接口 rmw_*。好处：今天用 Fast DDS，明天切 CycloneDDS，代码一行不改。
RCL层 (ROS Client Library)： C语言实现的 rcl，封装节点、话题、服务等核心概念。
客户端库层： rclcpp (C++)、rclpy (Python)、rcljava (Java) 等，面向开发者。
应用层： 你的节点、Nav2、MoveIt2。

所以 ROS2 删除 Master 后怎么发现彼此？

靠 DDS 的 SPDP + SEDP 自动发现：

新节点上线，DDS 向 239.255.0.1 多播发广播：我来了，我有 /scan 发布器。
其他节点收到，回复我是谁我有什么订阅。
两边 QoS 兼容，则建立 P2P 直连，后续不经过任何中心。

4. 五大核心通信机制（嵌入式类比秒懂）

对于 STM32 开发者，用 FreeRTOS 类比：

ROS2组件	FreeRTOS类比	核心功能	通信模式	典型场景
节点 Node	任务 Task	最小功能单元	-	激光驱动、电机控制、路径规划各一个节点
话题 Topic	消息队列 + 串口广播	连续数据流	异步、多对多	雷达发 `/scan`，相机发 `/image_raw`，底盘发 `/odom`
消息 Message	struct 结构体	数据格式定义	-	`geometry_msgs/Twist` 速度, `sensor_msgs/LaserScan` 雷达
服务 Service	函数调用 + 问答	一次性远程调用	同步、一对一	拍照、查询电量、重置里程计
动作 Action	状态机 + 带反馈任务	长时间可取消任务	异步 + 反馈	导航到目标点 `NavigateToPose`，可中途取消，看进度
参数 Parameter	Flash配置 + 全局变量	节点动态配置	-	PID增益、最大速度，不重启即可修改

4.1 话题 Topic（最常用，80%场景）

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publisher_node -- /scan (sensor_msgs/LaserScan) --> subscriber_node(s)

特点：解耦，发布者不知道谁在听，订阅者不知道谁发的。

4.2 服务 Service

客户端发 Request，等待服务端 Response。同步阻塞，但 ROS2 中是异步回调，不会卡死。

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/client 请求 "计算路径" -> /planner 服务端 -> 返回路径

4.3 动作 Action（服务+话题的合体）

处理3秒以上的长任务：导航、机械臂抓取。

包含3部分：Goal目标 + Feedback周期反馈 + Result最终结果，且可取消。底层由3个话题+2个服务实现，但对你透明。

4.4 参数 + QoS

参数：ros2 param set /turtlesim background_r 128 动态改背景颜色，无需重启。
QoS：可靠性 RELIABLE / BEST_EFFORT，历史 KEEP_LAST，持久性 TRANSIENT_LOCAL 等，可针对雷达/图像/控制指令精细配置。

4.5 ROS2命令行操作

ROS2 90%的调试都靠命令行，掌握它就掌握了机器人的控制台。

命令族	常用命令	作用
`ros2 node`	`list`, `info /turtlesim`, `kill`	查看/杀死节点
`ros2 topic`	`list -t`, `echo /scan`, `hz /scan`, `bw`, `pub /cmd_vel ...`	调试连续数据流，最常用
`ros2 service`	`list -t`, `call /spawn ...`, `type`, `find`	调用一次性服务
`ros2 action`	`list`, `info /navigate_to_pose`, `send_goal`	调试导航等长任务
`ros2 param`	`list`, `get /node param`, `set`, `dump/load`	动态改参，运行时调PID
`ros2 interface`	`show geometry_msgs/msg/Twist`, `list`, `proto`	查看消息结构
`ros2 bag`	`record -a`, `play`, `info`	录包回放，复现偶发Bug
`ros2 run`	`run turtlesim turtlesim_node`	运行单个节点
`ros2 launch`	`launch nav2_bringup bringup_launch.py`	一键启动多节点
`colcon`	`colcon build --symlink-install`, `--packages-select`	编译工作空间

实战口诀：

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# 不知道有什么？
ros2 topic list -t        # 看话题
ros2 node list            # 看节点
ros2 service list         # 看服务

# 不知道数据格式？
ros2 interface show sensor_msgs/msg/LaserScan

# 看数据流是否正常？
ros2 topic echo /scan --no-arr       # 不打超长数组
ros2 topic hz /scan                  # 看雷达频率是不是10Hz

5. ROS2开发环境配置

推荐组合：Ubuntu 22.04 + ROS2 Humble Hawksbill，LTS到2027年，最稳。

5.1 一键安装

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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

sudo apt install software-properties-common -y
sudo add-apt-repository universe
sudo apt install curl gnupg lsb-release -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

sudo apt update
sudo apt install ros-humble-desktop -y          # 桌面完整版，含RViz2+Gazebo+示例
sudo apt install python3-colcon-common-extensions python3-rosdep ros-dev-tools -y

# 环境变量
echo "source /opt/ros/humble/setup.bash" >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc

# 初始化 rosdep
sudo rosdep init || true
rosdep update

5.2 多机隔离与工具

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# 多机器人同WiFi防串台
export ROS_DOMAIN_ID=10  # 0~101，同一ID才能互通

# VSCode插件：ROS, URDF, 记得装

# Docker版（Windows/Mac用户）
docker pull osrf/ros:humble-desktop

验证：

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ros2 run demo_nodes_cpp talker &
ros2 run demo_nodes_py listener
# 看到 hello world 互通即成功

6. 工作空间与功能包：开发过程的大本营

工作空间 Workspace 是项目的物理边界。官方推荐 ~/ros2_ws。

四个子目录：

src：放所有功能包源码，git clone 都在里
build：colcon 编译中间文件，不用管
install：编译产物，setup.bash 在这
log：编译日志

功能包 Package 是最小复用单元。包含 package.xml（依赖声明）+ CMakeLists.txt (C++) 或 setup.py (Python) + 代码。

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mkdir -p ~/ros2_ws/src && cd ~/ros2_ws/src

# 创建C++包
ros2 pkg create my_cpp_pkg --build-type ament_cmake --dependencies rclcpp std_msgs

# 创建Python包
ros2 pkg create my_py_pkg --build-type ament_python --dependencies rclpy std_msgs

# 创建带消息定义的包
ros2 pkg create my_interfaces --build-type ament_cmake --dependencies rosidl_default_generators

cd ~/ros2_ws
rosdep install -i --from-path src --rosdistro humble -y
colcon build --symlink-install
source install/setup.bash

--symlink-install 对Python极其重要，改.py不用重编，直接运行。

7. 节点：机器人的工作细胞

节点 Node 是 ROS2 最小执行单元，一个独立进程，只做一件事。

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import rclpy
from rclpy.node import Node

class MyNode(Node):
    def __init__(self):
        super().__init__('my_first_node')  # 节点名唯一
        self.get_logger().info('Hello, 我是工作细胞！')
        self.timer = self.create_timer(1.0, self.tick)

    def tick(self):
        self.get_logger().info('心跳...')

def main():
    rclpy.init()
    rclpy.spin(MyNode())  # 阻塞，处理回调
    rclpy.shutdown()

节点生命周期（ROS2 独有，产品级必用）： unconfigured -> inactive -> active -> finalized，可通过生命周期管理器 lifecycle_manager 统一配置，机器人启动时先加载参数，再激活。

8. 话题：节点间传递数据的桥梁

话题 Topic 是异步、多对多广播，最常用。

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/demonstration
Publisher ---(/cmd_vel, geometry_msgs/Twist)---> Subscriber(s)

Python 发布者：

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self.pub = self.create_publisher(Twist, '/cmd_vel', 10)
msg = Twist()
msg.linear.x = 0.2
self.pub.publish(msg)

订阅者：

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self.sub = self.create_subscription(LaserScan, '/scan', self.scan_callback, 10)
def scan_callback(self, msg):
    print(f'最前面障碍物距离: {msg.ranges[0]}')

命令行调试：

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ros2 topic list -t
ros2 topic echo /turtle1/pose
ros2 topic pub /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/msg/Twist "{linear: {x: 0.5}, angular: {z: 0.5}}" -1

QoS 可选 RELIABLE/BEST_EFFORT，雷达用 BEST_EFFORT 少延迟，控制指令用 RELIABLE 保到达。

9. 服务：节点间的你问我答

服务 Service 是同步 一对一 请求响应，类似函数调用。

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Client ---(Request: 拍照请求)---> Server
Client <---(Response: 照片结果)--- Server

turtlesim 典型服务：

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ros2 service list
ros2 service call /spawn turtlesim/srv/Spawn "{x: 2, y: 2, theta: 0.2, name: 'turtle2'}"

代码：

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from turtlesim.srv import Spawn
self.client = self.create_client(Spawn, '/spawn')
req = Spawn.Request(x=2.0, y=2.0, name='t2')
future = self.client.call_async(req)
rclpy.spin_until_future_complete(self, future)

适用： 重置里程计、保存地图、触发拍照等只需执行一次的任务。

10. 通信接口：数据传递的标准结构

所有话题/服务/动作的数据类型都有标准定义，放在 msg/srv/action 文件中。

Message (.msg)： 话题载体
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# Twist.msg
Vector3 linear
Vector3 angular
Service (.srv)： 请求---响应
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# AddTwoInts.srv
int64 a
int64 b
---
int64 sum
Action (.action)： 目标---结果---反馈
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# Fibonacci.action
int32 order  # Goal
---
int32[] sequence  # Result
---
int32[] partial_sequence  # Feedback

自定义接口：

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# my_interfaces/msg/Student.msg
string name
int32 age

# CMakeLists.txt
rosidl_generate_interfaces(${PROJECT_NAME}
  "msg/Student.msg"
  "srv/AddTwoInts.srv"
)

ros2 interface show 就能看到。

11. 动作：完整行为的流程管理

Action = Service(可取消) + Topic(周期反馈)。处理长时间任务：导航、机械臂执行。

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Client --Goal--> Server (开始去(2,2))
       <--Feedback-- (已走30%)
       <--Feedback-- (已走80%)
       --Cancel-->   (用户中途取消)
       <--Result--   (成功/失败/取消)

命令行：

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ros2 action list
ros2 action send_goal /navigate_to_pose nav2_msgs/action/NavigateToPose "{pose: {pose: {position: {x: 2, y: 2}}}}"

Nav2 导航就是一个 Action Server，RViz2 点目标点就是 Client。

12. 参数：机器人系统的全局字典

参数 Parameter 是节点的 可动态配置变量，无需重启。

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self.declare_parameter('kp', 1.0)
kp = self.get_parameter('kp').value
# 支持回调，参数一改，控制立刻生效
self.add_on_set_parameters_callback(self.param_callback)

命令行：

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ros2 param list
ros2 param get /turtlesim background_r
ros2 param set /turtlesim background_r 200
ros2 param dump /turtlesim > params.yaml
ros2 param load /turtlesim params.yaml

应用： 现场调小车最大速度、PID增益、相机曝光，直接 param set，不用重新编译烧录。

13. 分布式通信：多计算平台的任务分配

ROS2 原生支持分布式：

机器人端：Jetson Orin 跑激光+相机驱动
PC端：高性能主机跑建图、Nav2导航
只要同一局域网，同一 ROS_DOMAIN_ID，同一WiFi，节点自动发现，话题互通。

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# 机器人端（192.168.1.10）
export ROS_DOMAIN_ID=42
ros2 run rplidar_ros rplidar_composition

# PC端（192.168.1.20）
export ROS_DOMAIN_ID=42
ros2 topic echo /scan  # 就能收到机器人雷达
rviz2                  # 就能可视化

比 ROS1 需要 ROS_MASTER_URI 配置简单太多。

进阶：DDS 支持跨广域网、SROS2 加密，适合车队。

14. DDS：机器人的神经网络

DDS 是 ROS2 的底座，工业级标准。

Domain： 逻辑隔离域，ROS_DOMAIN_ID 就是 DDS Domain ID。
Participant： 每个进程一个 Participant。
Topic + DataWriter/DataReader： 底层真正收发。
QoS策略：
- Reliability: RELIABLE/BEST_EFFORT
- Durability: VOLATILE/TRANSIENT_LOCAL（新订阅者能否收到历史）
- History: KEEP_LAST depth

RMW： ROS中间件接口层，抽象不同厂商 DDS。切换实现：

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# 默认 Fast DDS
export RMW_IMPLEMENTATION=rmw_fastrtps_cpp
# 换 CycloneDDS，更轻量
sudo apt install ros-humble-rmw-cyclonedds-cpp
export RMW_IMPLEMENTATION=rmw_cyclonedds_cpp

理解 DDS，调透 QoS，是解决 图像卡顿、控制丢包 的关键。

15. Launch：多节点启动与配置脚本

机器人启动要启动 10+ 节点：雷达、IMU、底盘、TF、RViz...一个个 ros2 run 会累死，Launch 一键搞定。

ROS2 Launch 是 Python 脚本，比 ROS1 XML 强大百倍，支持 if 判断、变量。

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# my_robot/launch/robot.launch.py
from launch import LaunchDescription
from launch_ros.actions import Node

def generate_launch_description():
    return LaunchDescription([
        Node(package='rplidar_ros', executable='rplidar_composition', 
             parameters=[{'serial_port': '/dev/ttyUSB0', 'frame_id': 'laser'}]),
        Node(package='my_robot', executable='base_driver', output='screen'),
        Node(package='tf2_ros', executable='static_transform_publisher',
             arguments=['0','0','0.2','0','0','0','base_link','laser']),
        Node(package='rviz2', executable='rviz2', arguments=['-d', 'my.rviz'])
    ])

运行：ros2 launch my_robot robot.launch.py 带参：ros2 launch my_robot robot.launch.py use_sim_time:=true

16. TF：机器人坐标系管理器

机器人有无数坐标系：map 地图、odom 里程计、base_link 底盘、laser 雷达、camera_link。TF就是管理它们关系的 时变树。

TF 是话题 /tf 和 /tf_static
每个变换都是 父坐标 -> 子坐标 + 时间戳
tf2 可查询任意时刻任意两坐标系的关系。

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ros2 run tf2_ros static_transform_publisher 0 0 0.2 0 0 0 base_link laser
ros2 run tf2_tools view_frames  # 生成PDF的TF树
rviz2 -> Add -> TF 看坐标轴

代码监听：

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from tf2_ros import Buffer, TransformListener
self.tf_buffer = Buffer()
self.tf_listener = TransformListener(self.tf_buffer, self)
trans = self.tf_buffer.lookup_transform('map', 'base_link', rclpy.time.Time())

没有 TF，导航、建图全崩。 必须保证TF树连通无环。

17. URDF：ROS机器人建模方法

URDF (Unified Robot Description Format) 用 XML 描述机器人 连杆 Link + 关节 Joint。

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<robot name="my_car">
  <link name="base_link">
    <visual><geometry><cylinder length="0.1" radius="0.2"/></geometry></visual>
  </link>
  <link name="left_wheel"/>
  <joint name="left_wheel_joint" type="continuous">
    <parent link="base_link"/><child link="left_wheel"/>
    <origin xyz="0 0.2 0"/><axis xyz="0 1 0"/>
  </joint>
</robot>

link：外观 visual、碰撞 collision、惯性 inertial
joint：fixed 固定、continuous 连续旋转轮子、revolute 有限转角舵机、prismatic 滑轨
Xacro：URDF 宏，支持变量、计算，复杂机器人必用。

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sudo apt install ros-humble-joint-state-publisher-gui
ros2 launch urdf_tutorial display.launch.py model:=my_car.urdf
# 在RViz里拖动滑杆，看关节运动

URDF + TF = 机器人完整数字孪生。

18. Gazebo：三维物理仿真平台

Gazebo 是独立的物理引擎，支持重力、摩擦、碰撞、光照、传感器仿真（雷达噪声、相机畸变）。

Gazebo 负责 让机器人动起来，有物理
Rviz 负责 把数据画出来，无物理

经典流程：

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# 安装
sudo apt install ros-humble-gazebo-ros-pkgs ros-humble-gazebo-ros2-control

# 启动仿真
ros2 launch my_robot gazebo.launch.py

# 话题桥接：Gazebo的 /clock, /scan 会自动转 ROS2 话题

在URDF里加 <gazebo> 标签和插件，如 libgazebo_ros_diff_drive.so 差速驱动，Gazebo就开始仿真轮子转。

价值： 无需真机，在仿真中测试 Nav2 算法，撞烂了也不心疼。

19. Rviz：三维可视化显示平台

Rviz2 不模拟，只 订阅话题并可视化。

常用 Display：

RobotModel：显示URDF模型
LaserScan：雷达点云
PointCloud2：3D点云
Map：占据栅格地图
Path：导航路径
TF：坐标系
Image：相机图像

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rviz2
# Add -> By topic -> 勾选 /scan
# 配置文件保存 .rviz，下次一键加载

配合 Nav2，Rviz里可点 2D Pose Estimate 初始位姿，2D Goal Pose 导航目标。

20. RQT：模块化可视化工具

RQT 是基于 Qt 的插件容器，集成几十个小工具：

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rqt                    # 打开插件选择器
rqt_graph              # 节点图，最常用，看话题连接（上一章用过）
rqt_plot               # 画曲线，/odom速度波形
rqt_console            # 日志过滤
rqt_reconfigure        # 动态调参图形化前端
rqt_bag                # 播放 bag 包

安装：sudo apt install ~nros-humble-rqt*

调试三件套：rqt_graph + ros2 topic echo + rviz2。

21. ROS2应用与进阶攻略

到此，你已学完 ROS2 核心。下一步：

应用层

导航 Nav2： sudo apt install ros-humble-navigation2，SLAM建图 slam_toolbox，定位 amcl，一键导航。
机械臂 MoveIt2： 抓取规划。
ros2_control： 统一硬件接口，你的 STM32 底盘写一个 hardware_interface，就能被 Nav2 调度。
micro-ROS： 在 STM32F4/H7 上直接跑 ROS2 节点，不再经串口转发，订阅 /cmd_vel 成为真·ROS2节点。

进阶路线图

动手造小车： 差速底盘 + RPLIDAR A1 + IMU，跑通 URDF -> Gazebo -> Nav2 全流程。
视觉： v4l2_camera + OpenCV + YOLO，话题 /image_raw → 目标检测。
多机协同： 两台机器人同 ROS_DOMAIN_ID，Nav2 支持多机编队。
云边端： ROS2 + MQTT桥，机器人数据上阿里云，参考你之前 MQTT 篇。

最终建议：

先把 turtlesim + 话题服务 玩熟
再用 URDF + Rviz 搭自己模型
再进 Gazebo 仿真 + Nav2 导航
最后 接真车

总结

本篇严格目录，独立介绍了 ROS2 的命令行、环境、工程、五大通信、DDS、Launch、TF、URDF、Gazebo、Rviz、RQT。

工具包：Humble官方文档 + 鱼香ROS《ROS2机器人开发从入门到实践》 + 古月居教程