ROS 2機器人程式設計實戰：基于現代C++和Python 3實作簡單機器人項目

ROS 2是機器人開發領域中廣泛使用的一個架構，ROS 2提供了很多功能強大的工具和庫，可以讓機器人開發人員更加高效地進行開發。本文将介紹ROS 2機器人程式設計實戰，基于現代C++和Python 3語言。

一、ROS 2簡介

ROS 2是機器人作業系統（Robot Operating System）的第二代版本。ROS 2采用了更加現代化的軟體架構，提供了更好的實時性能和安全性，并且支援更多種類的平台和硬體裝置。ROS 2采用了分布式架構，可以友善地進行多機器人協作開發。

二、ROS 2基礎

1. 安裝ROS 2

首先需要在本地機器上安裝ROS 2。ROS 2提供了針對不同作業系統的二進制安裝包，可以友善地進行安裝。安裝ROS 2後，需要進行一些基本的配置，如設定環境變量等。

2. ROS 2節點

ROS 2中的一個節點（node）是一個獨立的程序，可以執行一個或多個任務。節點之間可以通過ROS 2提供的通信機制進行互動。節點可以用C++、Python等語言編寫。

3. ROS 2話題

ROS 2中的話題（topic）是一種基于釋出-訂閱機制的通信方式。話題可以傳遞各種類型的消息，如圖像、傳感器資料等。一個節點可以釋出一個話題，另一個節點可以訂閱該話題，實作消息的傳遞。

4. ROS 2服務

ROS 2中的服務（service）是一種基于請求-響應機制的通信方式。一個節點可以提供一個服務，另一個節點可以請求該服務并擷取響應。服務可以傳遞各種類型的消息，如圖像、傳感器資料等。

三、機器人程式設計實戰

下面将通過一個機器人程式設計實戰的例子，介紹如何使用ROS 2進行機器人開發。

1. 實戰需求

假設有一個機器人，需要實作以下功能：

• 機器人通過ROS 2接收控制指令，并根據指令控制機器人運動；
• 機器人搭載一個雷射雷達傳感器，可以實時擷取周圍環境資訊，并将資料釋出到ROS 2話題中；
• 機器人搭載一個攝像頭，可以實時擷取圖像資訊，并将資料釋出到ROS 2話題中；
• 機器人可以提供一個服務，接收使用者請求，傳回目前機器人位置資訊。

2. 實戰步驟

（1）建立ROS 2工作空間

首先需要建立一個ROS 2工作空間，用于存放機器人項目代碼和編譯結果。可以通過以下指令建立一個名為“my_robot_ws”的ROS 2工作空間：

mkdir -p my_robot_ws/src
cd my_robot_ws
colcon build           

（2）建立ROS 2包和節點

在ROS 2中，一個項目通常被組織為一個或多個包（package），每個包包含一個或多個節點。可以通過以下指令建立一個名為“my_robot”的ROS 2包：

cd src
ros2 pkg create my_robot           

在“my_robot”包中建立一個名為“control”的節點，用于接收控制指令，并控制機器人運動：

cd my_robot
mkdir src
touch src/control.cpp           

在“control.cpp”中編寫代碼，接收控制指令并控制機器人運動。可以使用ROS 2提供的機器人控制庫，如“ros2_control”或“ros2_controllers”。

（3）雷射雷達資料釋出

在“my_robot”包中建立一個名為“laser”的節點，用于擷取雷射雷達資料，并将資料釋出到ROS 2話題中：

cd my_robot
mkdir src
touch src/laser.cpp           

在“laser.cpp”中編寫代碼，擷取雷射雷達資料，并将資料釋出到ROS 2話題中。可以使用ROS 2提供的雷射雷達驅動庫，如“ros2_laser_drivers”。

（4）攝像頭資料釋出

在“my_robot”包中建立一個名為“camera”的節點，用于擷取攝像頭資料，并将資料釋出到ROS 2話題中：

cd my_robot
mkdir src
touch src/camera.cpp           

在“camera.cpp”中編寫代碼，擷取攝像頭資料，并将資料釋出到ROS 2話題中。可以使用ROS 2提供的攝像頭驅動庫，如“ros2_camera_drivers”。

（5）位置資訊服務提供

在“my_robot”包中建立一個名為“position”的節點，用于提供位置資訊服務，接收使用者請求，傳回目前機器人位置資訊：

cd my_robot
mkdir src
touch src/position.cpp           

在“position.cpp”中編寫代碼，接收使用者請求，傳回目前機器人位置資訊。可以使用ROS 2提供的位置資訊庫，如“ros2_navigation”。

（6）編譯和運作

在完成節點代碼編寫後，需要編譯ROS 2項目，可以使用以下指令進行編譯：

cd my_robot_ws
colcon build --packages-select my_robot           

完成編譯後，可以通過以下指令運作節點：

source install/setup.bash
ros2 run my_robot control
ros2 run my_robot laser
ros2 run my_robot camera
ros2 run my_robot position           

通過以上步驟，我們實作了一個簡單的機器人項目，使用ROS 2進行開發，實作了控制指令接收、雷射雷達資料釋出、攝像頭資料釋出和位置資訊服務提供等功能。