ROS2 常见消息类型保姆级教程

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摘要

一、ROS2 消息类型到底是什么？

1.1 ROS2 节点之间靠消息通信

1.2 geometry_msgs::msg::Twist vel_cmd; 为什么这样写？

1.3 ROS2 消息类型的命名规则

1.4 如果想简写，可以使用 using

二、ROS2 里面常见消息类型分类

2.1 std_msgs：基础数据消息

（1）适合传递简单数据

（2）常见使用场景

2.2 geometry_msgs：几何运动相关消息

（1）机器人运动控制中非常常见

（2）常见消息含义表格总结

（3）geometry_msgs::msg::Twist 描述机器人速度

（4）geometry_msgs::msg::Pose 描述机器人位姿

（5）geometry_msgs::msg::PoseStamped 带时间戳和坐标系的位姿

（6）geometry_msgs::msg::Point 描述三维空间中的一个点

（7）geometry_msgs::msg::Quaternion 描述姿态和旋转

（8）geometry_msgs::msg::Vector3 描述三维向量

（9）geometry_msgs::msg::TransformStamped 描述两个坐标系之间的变换关系

2.3 nav_msgs：导航、定位、建图相关消息

（1）导航系统中经常出现

（2）常见消息含义

2.4 sensor_msgs：传感器相关消息

（1）雷达、IMU、相机、点云都在这里

（2）常见消息含义

三、总结

3.1 ROS2 消息类型整体总结

3.2 常见消息包对比表

3.3 geometry_msgs 常见消息对比表

3.4 geometry_msgs 一句话记忆表

3.5 常见坐标系对比表

3.6 常见 TF 关系总结表

摘要

在 ROS2 中，节点之间并不是直接传递 C++ 普通变量，而是通过 消息类型 Message 进行通信。比如控制机器人运动时，经常会看到：

geometry_msgs::msg::Twist vel_cmd;

这句代码的意思是：创建一个 ROS2 速度控制消息对象，用来描述机器人的线速度和角速度。

本文将从这句代码出发，系统讲解 ROS2 中消息类型的命名规则、常见消息包、Twist 的内部结构、发布器写法、订阅器写法，以及如何在终端查看消息字段，帮助初学者真正看懂 ROS2 话题通信代码。

一、ROS2 消息类型到底是什么？

1.1 ROS2 节点之间靠消息通信

节点不是直接传变量，而是传消息

在普通 C++ 程序中，函数之间可以直接传递变量，比如：

int speed = 10;

但是 ROS2 是分布式机器人系统，通常会有多个节点同时运行，例如：

这些节点之间不能简单地通过普通变量通信，而是通过 ROS2 的通信机制传递数据。

最常见的方式就是：

话题 Topic + 消息 Message

例如：

/cmd_vel

这个话题通常用来发布机器人速度控制命令。

它使用的消息类型一般是：

geometry_msgs::msg::Twist

所以可以理解为：

/cmd_vel 是话题名字
geometry_msgs::msg::Twist 是话题里面传输的数据格式

1.2 geometry_msgs::msg::Twist vel_cmd; 为什么这样写？

它的本质是定义一个消息对象

这句代码：

geometry_msgs::msg::Twist vel_cmd;

本质上和普通 C++ 变量定义类似。

例如：

int age;
double speed;
std::string name;

对应到 ROS2 中就是：

geometry_msgs::msg::Twist vel_cmd;

可以拆成：

消息类型  变量名;

也就是：

geometry_msgs::msg::Twist vel_cmd;

其中：

geometry_msgs::msg::Twist

是消息类型。

vel_cmd

是自己定义的变量名。

1.3 ROS2 消息类型的命名规则

一般格式是：功能包名::msg::消息名

ROS2 C++ 中，消息类型一般采用下面这种格式：

功能包名::msg::消息名

例如：

geometry_msgs::msg::Twist
std_msgs::msg::String
nav_msgs::msg::Odometry
sensor_msgs::msg::LaserScan

以：

geometry_msgs::msg::Twist

为例，可以拆成三部分：

所以：

geometry_msgs::msg::Twist

表示：

geometry_msgs 功能包下面的 Twist 消息类型

这也是为什么不能随便写成：

Twist vel_cmd;

因为编译器默认并不知道 Twist 是谁，必须告诉它这个类型来自哪里。

1.4 如果想简写，可以使用 using

初学 ROS2 时，最推荐写完整形式：

geometry_msgs::msg::Twist vel_cmd;

这种写法虽然长一点，但是含义最清楚。

如果后面代码中频繁使用，也可以写：

using geometry_msgs::msg::Twist;

Twist vel_cmd;

或者写成类型别名：

using TwistMsg = geometry_msgs::msg::Twist;

TwistMsg vel_cmd;

不过在学习阶段，建议先保持完整写法，这样更容易理解消息来自哪个功能包。

二、ROS2 里面常见消息类型分类

2.1 std_msgs：基础数据消息

（1）适合传递简单数据

std_msgs 可以理解为 ROS2 中比较基础的一类消息，常用于传递字符串、整数、浮点数、布尔值等简单数据。

常见类型如下：

std_msgs::msg::String
std_msgs::msg::Int32
std_msgs::msg::Float64
std_msgs::msg::Bool

例如定义一个字符串消息：

std_msgs::msg::String msg;
msg.data = "hello ros2";

其中：

msg.data

才是真正保存字符串内容的字段。

（2）常见使用场景

std_msgs 常用于一些简单话题，例如：

例如：

std_msgs::msg::Bool flag;
flag.data = true;

表示发布一个布尔类型消息。

2.2 geometry_msgs：几何运动相关消息

（1）机器人运动控制中非常常见

geometry_msgs 是机器人开发中非常核心的一类消息，主要用于描述：

常见类型如下：

geometry_msgs::msg::Twist
geometry_msgs::msg::Pose
geometry_msgs::msg::PoseStamped
geometry_msgs::msg::Point
geometry_msgs::msg::Quaternion
geometry_msgs::msg::Vector3
geometry_msgs::msg::TransformStamped

（2）常见消息含义表格总结

（3）geometry_msgs::msg::Twist 描述机器人速度

Twist 用来描述机器人的运动速度，通常用于控制机器人底盘运动，最常见的话题是：

/cmd_vel

它里面包含两部分：

Vector3 linear // 线速度
Vector3 angular // 角速度

完整字段是：

vel_cmd.linear.x
vel_cmd.linear.y
vel_cmd.linear.z

vel_cmd.angular.x
vel_cmd.angular.y
vel_cmd.angular.z

对于大多数地面移动机器人，最常用的是：

vel_cmd.linear.x // 前进 / 后退速度
vel_cmd.angular.z // 左转 / 右转角速度

例如：

geometry_msgs::msg::Twist vel_cmd;

vel_cmd.linear.x = 0.2;
vel_cmd.angular.z = 0.0;

表示机器人以 0.2 m/s 向前运动，不旋转。

如果写成：

vel_cmd.linear.x = 0.0;
vel_cmd.angular.z = 0.5;

表示机器人不前进，只进行原地旋转。

所以 Twist 可以理解为：

Twist = 线速度 + 角速度

（4）geometry_msgs::msg::Pose 描述机器人位姿

Pose 用来描述一个物体或者机器人在空间中的 位置和姿态。

它包含两部分：

Point position // 位置
Quaternion orientation // 姿态

完整字段是：

pose.position.x
pose.position.y
pose.position.z

pose.orientation.x
pose.orientation.y
pose.orientation.z
pose.orientation.w

其中：

position

表示位置，也就是机器人在哪里。

orientation

表示姿态，也就是机器人朝向哪里。

例如：

geometry_msgs::msg::Pose pose;

pose.position.x = 1.0;
pose.position.y = 2.0;
pose.position.z = 0.0;

pose.orientation.w = 1.0;

表示机器人位于：

x = 1.0
y = 2.0
z = 0.0

姿态使用四元数表示。

对于二维移动机器人来说，通常重点关注：

pose.position.x
pose.position.y
pose.orientation

因为地面机器人一般在平面上运动，z 方向变化较少。

（5）geometry_msgs::msg::PoseStamped 带时间戳和坐标系的位姿

PoseStamped 可以理解为：

PoseStamped = Header + Pose

也就是在 Pose 的基础上增加了时间戳和坐标系信息。

它的结构大概是：

std_msgs::msg::Header header
geometry_msgs::msg::Pose pose

常用字段有：

pose_stamped.header.stamp
pose_stamped.header.frame_id

pose_stamped.pose.position.x
pose_stamped.pose.position.y
pose_stamped.pose.position.z

pose_stamped.pose.orientation.x
pose_stamped.pose.orientation.y
pose_stamped.pose.orientation.z
pose_stamped.pose.orientation.w

其中：

header.stamp

表示这个位姿对应的时间。

header.frame_id

表示这个位姿属于哪个坐标系。

例如：

geometry_msgs::msg::PoseStamped target_pose;

target_pose.header.frame_id = "map";
target_pose.header.stamp = this->now();

target_pose.pose.position.x = 3.0;
target_pose.pose.position.y = 2.0;
target_pose.pose.orientation.w = 1.0;

表示：

机器人目标点在 map 坐标系下，位置是 (3.0, 2.0)。

PoseStamped 在导航里面非常常见，例如：

相比 Pose，PoseStamped 更完整，因为它说明了：

这个位姿是什么时候的？
这个位姿属于哪个坐标系？

（6）geometry_msgs::msg::Point 描述三维空间中的一个点

Point 用来表示三维空间中的一个坐标点。

它只有三个字段：

point.x
point.y
point.z

例如：

geometry_msgs::msg::Point point;

point.x = 1.0;
point.y = 2.0;
point.z = 0.0;

表示空间中的一个点：

(1.0, 2.0, 0.0)

Point 常用于：

需要注意的是，Point 只表示位置，不表示朝向。

也就是说：

（7）geometry_msgs::msg::Quaternion 描述姿态和旋转

Quaternion 用来描述三维空间中的姿态，也就是物体的朝向。

它包含四个字段：

quaternion.x
quaternion.y
quaternion.z
quaternion.w

例如：

geometry_msgs::msg::Quaternion q;

q.x = 0.0;
q.y = 0.0;
q.z = 0.0;
q.w = 1.0;

这通常表示没有旋转，也就是默认朝向。

在机器人中，姿态有很多表示方式，比如：

ROS2 中很多消息默认使用四元数表示姿态，例如：

Pose.orientation
Odometry.pose.pose.orientation
TransformStamped.transform.rotation

对于地面移动机器人来说，最常关心的是 yaw，也就是绕 z 轴的旋转角。

但是在 ROS2 消息中，通常不是直接存 yaw，而是存成四元数：

orientation.x
orientation.y
orientation.z
orientation.w

所以实际开发中，经常需要在：

yaw 角

和：

Quaternion 四元数

之间进行转换。

（8）geometry_msgs::msg::Vector3 描述三维向量

Vector3 用来描述三维向量，包含三个字段：

vector.x
vector.y
vector.z

例如：

geometry_msgs::msg::Vector3 vec;

vec.x = 1.0;
vec.y = 0.0;
vec.z = 0.0;

它看起来和 Point 很像，都是：

x
y
z

但是含义不一样。

Point 表示一个空间位置：

我在哪里？

Vector3 表示一个方向量或物理量：

比如 Twist 里面就用到了 Vector3：

geometry_msgs::msg::Twist vel_cmd;

vel_cmd.linear.x = 0.2;
vel_cmd.angular.z = 0.5;

这里的：

linear
angular

本质上都是 Vector3 类型。

所以：

Twist.linear.x
Twist.angular.z

能够成立，是因为 linear 和 angular 都是 Vector3。

（9）geometry_msgs::msg::TransformStamped 描述两个坐标系之间的变换关系

TransformStamped 用来描述一个坐标系到另一个坐标系之间的关系。

它可以理解为：

TransformStamped = Header + child_frame_id + Transform

常见结构如下：

header.stamp
header.frame_id
child_frame_id

transform.translation.x
transform.translation.y
transform.translation.z

transform.rotation.x
transform.rotation.y
transform.rotation.z
transform.rotation.w

其中：

header.frame_id

表示父坐标系。

child_frame_id

表示子坐标系。

transform.translation

表示两个坐标系之间的位置偏移。

transform.rotation

表示两个坐标系之间的旋转关系。

例如：

geometry_msgs::msg::TransformStamped transform;

transform.header.stamp = this->now();
transform.header.frame_id = "odom";
transform.child_frame_id = "base_link";

transform.transform.translation.x = 1.0;
transform.transform.translation.y = 2.0;
transform.transform.translation.z = 0.0;

transform.transform.rotation.w = 1.0;

这表示：

base_link 坐标系

相对于：

odom 坐标系

的位置偏移是：

x = 1.0
y = 2.0
z = 0.0

TransformStamped 在 TF 坐标变换中非常重要，常见坐标系对比表如下：

这些坐标系之间的关系，通常就是通过 TransformStamped 发布出去的。

2.3 nav_msgs：导航、定位、建图相关消息

（1）导航系统中经常出现

nav_msgs 主要用于机器人导航、定位、路径规划、地图构建等任务。

常见类型如下：

nav_msgs::msg::Odometry
nav_msgs::msg::Path
nav_msgs::msg::OccupancyGrid

（2）常见消息含义

例如：

nav_msgs::msg::Odometry odom;

Odometry 里面通常包含两类核心信息：

pose // 机器人当前位姿
twist // 机器人当前速度

也就是说，里程计消息不仅可以描述机器人现在在哪里，还可以描述机器人当前运动速度是多少。

2.4 sensor_msgs：传感器相关消息

（1）雷达、IMU、相机、点云都在这里

sensor_msgs 主要用于传递传感器数据。

常见类型如下：

sensor_msgs::msg::LaserScan
sensor_msgs::msg::Imu
sensor_msgs::msg::Image
sensor_msgs::msg::PointCloud2
sensor_msgs::msg::JointState
sensor_msgs::msg::NavSatFix

（2）常见消息含义

例如：

sensor_msgs::msg::LaserScan scan;

通常用于二维激光雷达话题，例如：

/scan

而：

sensor_msgs::msg::Imu imu;

通常用于 IMU 话题，例如：

/imu

三、总结

3.1 ROS2 消息类型整体总结

在 ROS2 中，节点之间并不是直接传递普通 C++ 变量，而是通过 消息类型 Message 进行通信。

比如：

geometry_msgs::msg::Twist vel_cmd;

这句代码的意思是：

创建一个 geometry_msgs 功能包下的 Twist 消息对象，变量名叫 vel_cmd。

它可以拆成：

ROS2 中常见消息类型通常采用下面这种格式：

功能包名::msg::消息名 变量名;

例如：

std_msgs::msg::String msg;
geometry_msgs::msg::Twist vel_cmd;
nav_msgs::msg::Odometry odom;
sensor_msgs::msg::LaserScan scan;

3.2 常见消息包对比表

3.3 geometry_msgs 常见消息对比表

3.4 geometry_msgs 一句话记忆表

3.5 常见坐标系对比表

3.6 常见 TF 关系总结表

这些坐标系之间的关系，通常就是通过：

geometry_msgs::msg::TransformStamped

发布出去的。