ROS2小车调试记录-171主机测评

前言

ROS2好啊，ROS2得学。

0. 基础知识

0.0 ROS基础知识

0.0.1 什么是ros

0.0.2 ros和ros2有什么区别

0.1 ROS2系统信息相关指令

查询系统版本

printenv ROS_DISTRO

0.2 常用软件安装

一键安装ros 教程

wget http://fishros.com/install -O fishros && . fishros

1. ros2 新建工作空间和节点

1.1新建工作空间

1.1.1 工作空间简介

ROS 2（Robot Operating System 2）中的工作空间（Workspace）是组织和管理 ROS 2 软件包（packages）的核心目录结构。它类似于一个“项目文件夹”，用于存放源代码、编译产物、依赖配置等，是开发、构建和运行 ROS 2 节点的基础环境。

1.1.2 创建工作空间

mkdir -p 工作空间名称_ws/src #src主要用来存放代码
cd 工作空间名称_ws #进入工作空间

mkdir 命令后面的 -p 选项是 “parents”（父目录）的缩写，它的作用是：

递归创建目录 —— 如果指定的路径中某些父目录不存在，mkdir -p 会自动把它们一并创建出来；如果目录已存在，则不会报错，而是静默忽略。

1.1.3 编译工作空间

colcon build

构建完成后，我们应该看到build、install和log目录：

ROS系统中一个典型的工作空间结构如上所示，这个yahboomcar_ws就是工作空间的根目录，里边会有四个子目录，或者叫做四个子空间。

src，代码空间，未来编写的代码、脚本，都需要人为的放置到这里；
build，编译空间，保存编译过程中产生的中间文件；
install，安装空间，放置编译得到的可执行文件和脚本；
log，日志空间，编译和运行过程中，保存各种警告、错误、信息等日志。

总体来讲，这四个空间的文件夹，我们绝大部分操作都是在src中进行的，编译成功后，就会执行install里边的结果，build和log两个文件夹用的很少。

这里也要强调一点，工作空间的名称我们可以自己定义，数量也并不是唯一的，比如：

工作空间1：ros2_ws_a, 用于A机器人的开发

工作空间1：ros2_ws_b, 用于B机器人的开发

工作空间1：ros2_ws_c, 用于C机器人的开发

以上情况是完全允许的，就像是我们在集成开发环境中创建了多个新工程一样，都是并列存在的关系。

1.1.4 设置环境变量

编译成功后，为了让系统能够找到我们的功能包和可执行文件，还需要设置环境变量：

# 仅在当前终端生效
source install/setup.bash
# 所有终端均生效
echo "source install/setup.bash" >> ~/.bashrc

至此，我们就完成了工作空间的创建、编译和配置。

1.2 新建功能包

1.2.1 功能包简介

每个机器人可能有很多功能，比如移动控制、视觉感知、自主导航等，如果我们把这些功能的源码都放到一起当然也是可以的，但是当我们想把其中某些功能分享给别人时，就会发现代码都混合到了一起，很难拆分出来。

功能包就是这个原理，我们把不同功能的代码划分到不同的功能包中，尽量降低他们之间的耦合关系，当需要在ROS社区中分享给别人的时候，只需要说明这个功能包该如何使用，别人很快就可以用起来了。

所以功能包的机制，是提高ROS中软件复用率的重要方法之一。

1.2.2 创建功能包

如何在ROS2中创建一个功能包呢？我们可以使用这个指令：

ros2 pkg create <package_name> –build-type <build-type> –dependencies <dependencies> –node-name <node-name>

ros2命令中：

pkg：表示功能包相关的功能；
create：表示创建功能包；
package_name：新建功能包的名字；
build-type：表示新创建的功能包是C++还是Python的，如果使用C++或者C，那这里就跟ament_cmake，如果使用Python，就跟ament_python；
dependencies：表示功能包的依赖项，C++功能包需包含rclcpp，Python功能包需包含rclpy ,还有其它需要的依赖；
node-name：可执行程序的名称，会自动生成对应的源文件并生成配置文件；

比如在终端中分别创建C++和Python版本的功能包：

cd 工作空间名称_ws/src
# 创建C++功能包
ros2 pkg create pkg_helloworld_cpp –build-type ament_cmake –dependencies rclcpp –node-name helloworld
# 创建Python功能包
ros2 pkg create pkg_helloworld_py –build-type ament_python –dependencies rclpy –node-name helloworld

1.2.3 编译功能包

在创建好的功能包中，我们可以继续完成代码的编写，之后需要编译和配置环境变量，才能正常运行：

cd ~/工作空间_ws

# 编译工作空间所有功能包

colcon build

# 编译指定功能包（一个或多个）

colcon build –packages-select 功能包列表

#配置环境变量

source install/setup.bash

1.2.4 带功能包的完整工作空间结构

ROS2工作空间的目录结构如下：

WorkSpace — 自定义的工作空间。

|— build：存储中间文件的目录，该目录下会为每一个功能包创建一个单独子目录。

|— install：安装目录，该目录下会为每一个功能包创建一个单独子目录。

|— log：日志目录，用于存储日志文件。

|— src：用于存储功能包源码的目录。

|– C++功能包

|– package.xml：包信息，比如:包名、版本、作者、依赖项。

|– CMakeLists.txt：配置编译规则，比如源文件、依赖项、目标文件。

|– src：C++源文件目录。

|– include：头文件目录。

|– msg：消息接口文件目录。

|– srv：服务接口文件目录。

|– action：动作接口文件目录。

|– Python功能包

|– package.xml：包信息，比如:包名、版本、作者、依赖项。

|– setup.py：与C++功能包的CMakeLists.txt类似。

|– setup.cfg：功能包基本配置文件。

|– resource：资源目录。

|– test：存储测试相关文件。

|– 功能包同名目录：Python源文件目录。

另外，无论是Python功能包还是C++功能包，都可以自定义一些配置文件相关的目录。

|– C++或Python功能包

|– launch：存储launch文件。

|– rviz：存储rviz2配置相关文件。

|– urdf：存储机器人建模文件。

|– params：存储参数文件。

|– world：存储仿真环境相关文件。

|– map：存储导航所需地图文件。

|– ……

上述这些目录也可以定义为其他名称，或者根据需要创建其他一些目录。

1.3 新建工作节点

1.3.1 节点简介

在通信时，不论采用何种方式，通信对象的构建都依赖于节点(Node)，在ROS2中，一般情况下每个节点都对应某一单一的功能模块(例如：雷达驱动节点可能负责发布雷达消息，摄像头驱动节点可能负责发布图像消息)。一个完整的机器人系统可能由许多协同工作的节点组成，ROS2中的单个可执行文件(C++程序或Python程序)可以包含一个或多个节点。

1.3.2 创建节点流程

编程接口初始化

创建节点并初始化

实现节点功能

销毁节点并关闭接口

1.3.2 Hello World节点案例

1.3.2.1 创建python功能包

cd ~/工作空间名称_ros2_ws/工作空间名称_ws/src
ros2 pkg create pkg_helloworld_py –build-type ament_python –dependencies rclpy –node-name helloworld

1.3.2.2 编写代码

执行上面命令后会创建pkg_helloworld_py，同时会创建helloworld.py文件来编写节点：

删除原本 helloworld.py 的代码，写你自己想写的代码。

完成代码的编写后需要设置功能包的编译选项，让系统知道Python程序的入口，打开功能包的setup.py文件，加入如下入口点的配置：

1.3.2.3 编译功能包

cd ~/工作空间名称_ros2_ws/工作空间名称_ws
colcon build #编译全部
colcon build –packages-select pkg_helloworld_py #pkg_helloworld_py：要编译的包名字
source install/setup.bash #配置环境变量

1.3.2.4 运行节点

ros2 run pkg_helloworld_py helloworld

运行成功后，可以在终端中看到循环打印“Hello World”字符串的效果:

2. ROS2通信相关

2.1 modbus RTU通信

主要使用python3-pymodbus库

# 查看是否有可用的官方包

sudo apt search python3-pymodbus

# 如果存在则安装

sudo apt install python3-pymodbus

# 查看版本

python3 -c "from pymodbus import __version__; print(__version__)"

查找USB串口

lsusb

# 查找设备文件名（通过插拔操作识别，通常是 /dev/ttyUSB0）

ls /dev/tty*

# 识别用户组

ls -a -g /dev/ttyUSB*

# 当前用户加入用户组

sudo usermod -a -G dialout $USER

#查看当前用户是否在设备组

groups $USER

应用代码和测试报文

# pymodbus 3.6.9
from pymodbus.client import ModbusSerialClient as ModbusClient
from pymodbus.transaction import ModbusRtuFramer
import time

def run_rs485_master():
# 创建Modbus RTU客户端
client = ModbusClient(
method='rtu',
port='/dev/ttyUSB0',
baudrate=9600,
timeout=1, # 增加超时时间
parity='N',
stopbits=1,
bytesize=8,
retries=3, # 自动重试次数
strict=True
)

# 连接设备
connection = client.connect()
print(f"Connected: {connection}")

try:
while True:
# 读取保持寄存器 (功能码03)
result = client.read_holding_registers(
address=0,
count=10,
slave=1 # 从站地址
)

if not result.isError():
print(f"保持寄存器值: {result.registers}")
else:
print(f"读取错误: {result}")

# 写入单个寄存器 (功能码06)
write_result = client.write_register(
address=0,
value=1234,
slave=1
)

if not write_result.isError():
print("写入寄存器成功")

time.sleep(1)

except KeyboardInterrupt:
print("用户中断")
finally:
client.close()

if __name__ == "__main__":
run_rs485_master()

测试报文

主机（客户端）： 01 03 00 00 00 0A C5 CD 从机（服务器）： 01 03 14 00 01 00 02 00 03 00 04 00 05 00 06 00 07 00 08 00 09 00 0A 8F 16 主机（客户端）： 01 06 00 00 04 D2 0B 57 从机（服务器）： 01 06 00 00 04 D2 0B 57

后面这块儿主要参考古月居上的文献：

PLC与ROS2通信模型：对于典型的PLC与ROS2系统的数据通信，通信的基本公式为：

其中：

DataPLC表示从PLC读取到的数据。
Modbus()表示通过MODBUS协议与PLC进行通信。
IPPLC和PortPLC是PLC的IP地址和端口。
Function Code表示操作码，如读取寄存器等。
Data Address表示需要读取的PLC寄存器地址。

ROS2节点的数据发布与订阅模型： ROS2使用发布-订阅模型进行数据交换，公式如下：

其中：

MsgROS2为ROS2节点发布的数据消息。
f(DataPLC)表示ROS2对PLC数据进行处理后的消息生成过程。

控制指令的生成与下发：生成控制指令的基本过程可以表示为：

其中：

CmdPLC是ROS2系统向PLC下发的控制指令。
Control Logic()表示控制逻辑算法，根据处理后的数据生成控制命令。
Processed Data是经过ROS2处理的数据。

2.2 部署流程

安装ROS2：安装ROS2 Foxy版本，通过以下命令安装：

sudo apt update
sudo apt install ros-foxy-desktop

配置ROS2工作空间：

mkdir -p ~/ros2_ws/src
cd ~/ros2_ws
colcon build
source install/setup.bash

安装Modbus库：安装用于与PLC进行Modbus通信的库，如modbus_tk：

pip install modbus_tk

配置PLC与ROS2的通信：配置PLC与ROS2之间的通信，通过MODBUS/TCP协议进行数据交互。在ROS2节点中，通过modbus_tk库创建与PLC的连接。

编写ROS2节点与PLC交互：创建ROS2节点用于与PLC进行数据交互和控制，下面是一个简单的示例代码。

#include <rclcpp/rclcpp.hpp>
#include <modbus_tk/modbus_tcp.h>

class PLCROS2Node : public rclcpp::Node {
public:
PLCROS2Node() : Node("plc_ros2_node") {
modbus::TCPClient client;
try {
client.connect("192.168.1.100", 502); // PLC的IP地址和端口
RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "Connected to PLC");

// 创建定时器每秒钟读取一次PLC数据
timer_ = this->create_wall_timer(
std::chrono::seconds(1), std::bind(&PLCROS2Node::read_data, this));
} catch (const std::exception &e) {
RCLCPP_ERROR(this->get_logger(), "Failed to connect to PLC: %s", e.what());
}
}

private:
void read_data() {
try {
// 从PLC读取寄存器值
uint16_t data = client.read_holding_registers(0, 1)[0]; // 读取寄存器0的值
RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "Received data from PLC: %d", data);

// 在这里，可以将数据发布到ROS2主题或进行进一步处理
} catch (const std::exception &e) {
RCLCPP_ERROR(this->get_logger(), "Failed to read data from PLC: %s", e.what());
}
}

modbus::TCPClient client;
rclcpp::TimerBase::SharedPtr timer_;
};

int main(int argc, char **argv) {
rclcpp::init(argc, argv);
rclcpp::spin(std::make_shared<PLCROS2Node>());
rclcpp::shutdown();
return 0;
}

代码解读

modbus::TCPClient：这个类用于建立与PLC设备的TCP连接，发送Modbus请求并读取PLC寄存器。

read_data()：该函数在每次定时器触发时运行，读取PLC的一个寄存器数据并输出。

timer_：定时器每隔一秒触发一次read_data()，实现周期性的读取PLC数据。

连接与通信：client.connect("192.168.1.100", 502)

用来连接PLC设备，client.read_holding_registers(0, 1)用来读取指定寄存器的数据。

运行效果说明

1. 系统初始化

PLC与ROS2节点的连接：在系统启动时，ROS2节点通过MODBUS协议连接到PLC设备。成功建立连接后，ROS2节点会在终端输出一条信息，表示PLC已成功连接。

输出示例：

[INFO] [1637841204.123456789] [plc_ros2_node]: Connected to PLC
定时器启动：定时器在节点启动时也开始工作。每秒触发一次read_data函数。通过此定时器，ROS2节点会周期性地读取PLC的数据，并执行相应的处理逻辑。

输出示例：

[INFO] [1637841205.123456789] [plc_ros2_node]: Received data from PLC: 1023
[INFO] [1637841206.123456789] [plc_ros2_node]: Received data from PLC: 1025

在每次read_data函数被调用时，ROS2节点会尝试从PLC设备读取特定的寄存器（例如寄存器地址0），并输出从PLC中读取的数据。每次读取的值会根据PLC中传感器或控制器的状态而变化。

2. 数据流

PLC数据采集：PLC系统周期性地收集来自现场设备（如传感器、执行器等）的数据。数据通常是实时变化的，如传感器采集到的温度、压力等值。这些数据被存储在PLC的寄存器中，ROS2节点通过MODBUS协议定期读取。
数据交换：每次ROS2节点读取数据时，数据会通过MODBUS协议进行传输。典型的数据格式为16位的寄存器值，这些值在ROS2节点中可以进一步处理。

3. 实时反馈

数据处理：ROS2节点会将PLC中获取到的数据（如温度、压力等）进行处理。处理后的数据可以用来更新系统的状态或者生成控制指令。比如，可以对数据进行滤波、计算平均值、进行阈值判断等。

输出示例（数据处理后的反馈）：

[INFO] [1637841207.123456789] [plc_ros2_node]: Processed data: 23.5 (Temperature)

在该示例中，温度数据从PLC中获取，并经过处理（如单位转换）后，输出为23.5°C。
控制指令生成：根据处理后的数据，ROS2节点可能会生成控制指令，反馈到PLC中控制设备。例如，如果温度超过预设的阈值，ROS2节点可以生成控制指令要求PLC启动冷却设备。

控制指令输出示例：

[INFO] [1637841210.123456789] [plc_ros2_node]: Control command: Turn on cooling system

4. 异常处理与错误信息

通信失败：如果在ROS2节点读取PLC数据时出现问题（如网络不通、PLC未响应等），系统会在终端输出错误信息。例如，当无法连接到PLC时，ROS2节点会打印出以下错误：

[ERROR] [1637841211.123456789] [plc_ros2_node]: Failed to connect to PLC: Connection timeout
数据读取失败：如果数据读取操作失败（如由于设备故障或其他原因），ROS2节点也会打印出相关的错误信息：

[ERROR] [1637841212.123456789] [plc_ros2_node]: Failed to read data from PLC: Modbus error

5. 系统监控与调试

状态监控：在实际部署时，可以使用ROS2的rqt_graph等工具来监控ROS2系统中各个节点的状态。这些工具可以帮助开发人员确认PLC与ROS2节点之间的通信是否正常，是否有数据延迟或丢失。

例如，使用以下命令启动ROS2的图形界面工具：

ros2 run rqt_graph rqt_graph

在rqt_graph中，用户可以清晰地看到各个ROS2节点之间的通信流和数据流。
日志输出：在系统运行过程中，ROS2会记录日志信息，可以使用ros2 log命令查看详细日志。这些日志包括了各个节点的启动、通信、数据处理和错误信息，对于调试和故障排查非常有帮助。

查看日志示例：

ros2 log plc_ros2_node

6. 性能与实时性

数据采集频率：ROS2节点通过定时器控制数据的采集频率。在代码示例中，定时器每秒钟触发一次read_data函数。然而，实际应用中，数据采集频率可以根据需要进行调整（例如通过修改定时器的时间间隔）。
响应时间：由于ROS2节点本身支持实时调度，可以确保在一定时间内（如毫秒级别）对PLC数据进行处理和响应。控制系统可以根据实时处理结果立即采取动作，保证工业自动化系统的实时性。
系统稳定性：由于ROS2和PLC都具有高度稳定性，系统能够在长时间运行中保持稳定的通信与数据交换。即使在PLC设备或网络存在短暂波动时，ROS2节点也能通过异常处理机制重新连接并恢复通信。

远程桌面设置

使用windows自带的远程桌面

ubuntu22.04安装IP查询工具

sudo apt install net-tools

IP查询命令：

ifconfig -a

SSH服务安装

# 安装ssh服务： sudo apt-get install ssh # 启动SSH服务： sudo /etc/init.d/ssh start # 开机自启 sudo systemctl enable ssh

安装防火墙

sudo apt install firewalled

# 如无法连接，开通22端口： firewall-cmd –add-port=22/tcp –permanent firewall-cmd –reload

开放3389端口

# 开启3389端口：
firewall-cmd –add-port=3389/tcp –permanent
firewall-cmd –reload

一、串口调试

1. 安装串口调试工具

安装串口调试工具：

sudo apt-get install cutecom

打开串口工具：

Sudo cutecom

2. MODBUS RTU通信

# 查看是否有可用的官方包

sudo apt search python3-pymodbus

# 如果存在则安装

sudo apt install python3-pymodbus

#查看版本

python3 -c "from pymodbus import __version__; print(__version__)"

安装3.0以版本的pymodbus

# 1. 卸载可能存在的旧版（可选）
sudo apt remove python3-pymodbus

# 2. 使用 –user 安装到用户目录（无需 sudo，不污染系统）
pip3 install –user –upgrade pymodbus

# 3. 验证版本
python3 -c "from pymodbus import __version__; print(__version__)"

验证是否可以用于ros2

在你的 ROS 2 工作空间中运行：

source /opt/ros/rolling/setup.bash
python3 -c "from pymodbus.client import ModbusSerialClient; print('OK')"

如果输出 OK，说明 ROS 2 能正常调用新版 pymodbus。

验证pymodbus是否可用

python3 -c "from pymodbus.client import ModbusSerialClient; print('✅ pymodbus 导入成功')"

如果输出 ✅ pymodbus 导入成功，说明安装成功且 Python 能找到它。

回到工作空间

cd ～/huizhoucar_ws

查看目录结构，安装tree命令

sudo apt update
sudo apt install tree

查看目录结构

tree

编译工作空间

colcon build –symlink-install

–symlink-install 让 Python 文件修改后无需重新编译即可生效

再次查看目录结构

tree

激活工作空间

先激活系统级 ROS 2 环境（Humble）

source /opt/ros/humble/setup.bash

编译工作空间

colcon build –symlink-install

激活你的工作空间（叠加到系统环境）

source install/setup.bash

完整激活流程（每次新开终端都要做）

# 1. 激活 ROS 2 Humble
source /opt/ros/humble/setup.bash

# 2. 进入工作空间
cd ～/huizhoucar_ws

# 3. 激活你的工作空间
source install/setup.bash

建议将前两行加入～/.bashrc，避免重复输入：

echo "source /opt/ros/humble/setup.bash" >> ～/.bashrc
echo "source ～/huizhoucar_ws/install/setup.bash" >> ～/.bashrc

然后执行

source ～/.bashrc

或重启终端即可永久生效。

验证激活是否成功

1 检查环境变量

echo $AMENT_PREFIX_PATH

✅ 正常输出应包含：

/home/你的用户名/huizhoucar_ws/install:/opt/ros/humble

2. 检查能否找到你的包

ros2 pkg list | grep pkg_interfaces

✅ 如果看到 pkg_interfaces，说明自定义服务接口已加载。

# 查找USB转串口

lsusb

# 查找设备文件名（通过插拔操作识别，通常是 /dev/ttyUSB0）

ls /dev/tty*

# 识别用户组

ls -a -g /dev/ttyUSB*

# 当前用户加入用户组

sudo usermod -a -G dialout $USER

#查看当前用户是否在设备组

groups $USER

应用代码及测试报文：

# pymodbus 3.6.9

from pymodbus.client import ModbusSerialClient as ModbusClient

from pymodbus.transaction import ModbusRtuFramer

import time

def run_rs485_master():
    # 创建Modbus RTU客户端
    client = ModbusClient(
        method='rtu',
        port='/dev/ttyUSB0',
        baudrate=9600,
        timeout=1,          # 增加超时时间
        parity='N',
        stopbits=1,
        bytesize=8,
        retries=3,          # 自动重试次数
        strict=True
    )

    # 连接设备
    connection = client.connect()
    print(f"Connected: {connection}")
    try:
        while True:
            # 读取保持寄存器 (功能码03)
            result = client.read_holding_registers(
                address=0,
                count=10,
                slave=1 # 从站地址
            )

            if not result.isError():
                print(f"保持寄存器值: {result.registers}")
            else:
                print(f"读取错误: {result}")

            # 写入单个寄存器 (功能码06)
            write_result = client.write_register(
                address=0,
                value=1234,
                slave=1
            )

            if not write_result.isError():
                print("写入寄存器成功")
            time.sleep(1)
   except KeyboardInterrupt:
        print("用户中断")

finally:

client.close()

if __name__ == "__main__":

run_rs485_master()

总结

提示：这里对文章进行总结：例如：以上就是今天要讲的内容，本文仅仅简单介绍了pandas的使用，而pandas提供了大量能使我们快速便捷地处理数据的函数和方法。

参考文献：

ROS2 编程-一般过程 -学习笔记 ubuntu24 + ros2 rolling+modbus-rtu通信 – 辛河 – 博客园

三木地带你手搓ROS应用之传统PLC系统集成

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