Week 03 — ROS2 话题通信与乌龟控制

实验目标

通过 ROS2 话题发布 geometry_msgs/Twist 消息控制 turtlesim 小乌龟运动，理解发布者/订阅者模型和话题通信机制。同时练习使用 Python 编写 ROS2 控制节点。

实验环境

组件	说明
中间件	ROS2 Humble / Jazzy
仿真器	turtlesim
消息类型	`geometry_msgs/msg/Twist`
编程语言	Python 3 + rclpy

目录结构

Week03/
├── README.md         # 本报告
├── rectangle_mover.py # Python 控制节点
├── dawugui.png       # 大乌龟控制截图
├── python_run.png    # Python 程序运行截图
└── rectangle.png     # 长方形轨迹截图

实验步骤

1. 启动 turtlesim

ros2 run turtlesim turtlesim_node

2. 命令行发布速度指令

直接通过命令行发布 Twist 消息控制乌龟：

ros2 topic pub /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/msg/Twist "{linear: {x: 2.0}, angular: {z: 1.8}}"

3. Python 节点控制

编写 Python 程序通过 rclpy 创建发布者节点，实现自动化控制：

python3 rectangle_mover.py

4. 观察话题通信

使用 ros2 topic 系列命令查看话题状态和消息流向：

ros2 topic list           # 列出所有话题
ros2 topic info /turtle1/cmd_vel  # 查看话题详情
ros2 topic echo /turtle1/pose     # 监听位姿信息

关键命令

# 启动 turtlesim
ros2 run turtlesim turtlesim_node

# 发布速度指令（直线前进 + 旋转）
ros2 topic pub /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/msg/Twist "{linear: {x: 2.0}, angular: {z: 1.8}}"

# 查看话题消息类型
ros2 topic info /turtle1/cmd_vel

# 运行 Python 控制程序
python3 rectangle_mover.py

ROS2 话题通信模型

Publisher (控制程序)  →  /turtle1/cmd_vel (Twist)  →  Subscriber (turtlesim)
                          linear.x  = 前进速度
                          angular.z = 旋转速度

发布者/订阅者模型的核心优势是解耦——控制程序不需要知道 turtlesim 的内部实现，只需按标准消息格式发布指令。这种松耦合架构使得 ROS2 系统可以灵活替换组件。

实验证据

命令行控制

大乌龟控制截图

通过命令行发布 Twist 消息控制 turtlesim 运动

大乌龟控制截图

通过命令行发布 Twist 消息控制 turtlesim 运动

大乌龟控制截图

通过命令行发布 Twist 消息控制 turtlesim 运动

大乌龟控制截图

通过命令行发布 Twist 消息控制 turtlesim 运动

遇到的问题与解决

问题	原因	解决方案
`ros2 topic pub` 只发送一次消息	默认发送单条消息后退出	添加 `--once` 或 `--rate` 参数持续发布
Python 节点运行报 `ModuleNotFoundError`	rclpy 未安装或环境未 source	确保 `source /opt/ros/humble/setup.bash` 并安装 `ros-humble-rclpy`
乌龟不按预期轨迹运动	线速度和角速度的时序配比不对	精确计算每段运动所需的时间：时间 = 距离/速度，角度 = 角速度×时间
topic echo 无输出	话题名称拼写错误	使用 Tab 补全或 `ros2 topic list` 确认准确名称

总结与反思

核心收获

发布/订阅模型：这是 ROS2 最核心的通信范式，也是分布式机器人系统的基础。理解 Topic → Message → Publisher/Subscriber 三者关系后，控制任何机器人都遵循同一模式
Twist 消息：linear.x（前进）和 angular.z（旋转）是移动机器人最基础的控制量，从 turtlesim 到真实差速小车都通用
Python 与 ROS2 集成：rclpy 让 Python 能直接创建 ROS2 节点，比命令行灵活得多，支持条件判断和循环

延伸思考

学会了控制小乌龟，就学会了控制任何移动机器人。后续 Week07 的正方形轨迹练习和 Week13 的迷宫探索，本质上都是在发布 cmd_vel 指令——只是决策逻辑从”固定序列”升级为”自主判断”。

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