ROS2 基礎概念入門

📚 延伸閱讀

Linux 終端機入門：開發者必備指令

Docker 基礎概念與常用指令

這篇文章要解決什麼問題？

新人：「我要維護 AGV 專案，聽說用了 ROS2，那是什麼？」
資深工程師：「ROS2 是機器人作業系統，不是真的 OS，而是一套開發框架。」
新人：「框架？像 React 那樣嗎？」
資深工程師：「有點像。它提供通訊機制、工具鏈，讓你專注在機器人邏輯，不用自己處理底層通訊。」
新人：「聽起來很複雜，我該從哪裡開始？」
資深工程師：「先理解幾個核心概念就好，官方文件寫得很清楚。」

這篇文章涵蓋：

ROS2 是什麼、解決什麼問題
核心概念（Node、Topic、Service、Action）
Workspace 與 Package 結構
常用指令
官方資源導覽

技術概念

ROS2 是什麼？

ROS2（Robot Operating System 2）是一套機器人軟體開發框架，不是傳統意義的作業系統。

它提供：

通訊機制：讓不同程式（節點）互相溝通
工具鏈：建置、測試、部署工具
生態系統：大量現成的套件（導航、視覺、控制等）

為什麼需要 ROS2？

假設你要開發一台 AGV（自動導引車），需要：

功能	需要處理
感測器讀取	LiDAR、相機、編碼器
路徑規劃	避障、最短路徑
運動控制	馬達、PID 控制
通訊介面	與派車系統對接

沒有 ROS2：每個功能都要自己寫通訊協定、處理資料格式、管理執行順序。

有 ROS2：

每個功能寫成獨立的 Node
Node 之間用標準化的 Topic/Service 溝通
專注在業務邏輯，不用管底層通訊

ROS2 版本

版本	代號	Ubuntu	支援期限
Humble	Humble Hawksbill	22.04	2027
Jazzy	Jazzy Jalisco	24.04	2029

我們使用 ROS2 Jazzy，搭配 Ubuntu 24.04。

核心概念

1. Node（節點）

Node 是 ROS2 的最小執行單位，一個獨立的程式。

AGV 系統可能有這些 Node：
├── lidar_driver      # LiDAR 驅動
├── camera_driver     # 相機驅動
├── path_planner      # 路徑規劃
├── motor_controller  # 馬達控制
└── web_api           # Web 介面

每個 Node 各司其職，透過 Topic/Service 溝通。

# 查看運行中的節點
ros2 node list

# 查看節點資訊
ros2 node info /path_planner

2. Topic（主題）

Topic 是 Node 之間的單向資料串流，採用發布/訂閱模式。

發布者 (Publisher)          訂閱者 (Subscriber)
     │                           │
     └──── /scan (Topic) ────────┘

LiDAR Driver ──發布──→ /scan ──訂閱──→ Path Planner
                              ──訂閱──→ Safety Monitor

特點：

一對多：一個發布者，多個訂閱者
非同步：發布者不等待訂閱者
適合：持續的感測器資料、狀態更新

# 查看所有 Topic
ros2 topic list

# 查看 Topic 資訊
ros2 topic info /scan

# 監聽 Topic 資料
ros2 topic echo /scan

# 發布測試資料
ros2 topic pub /cmd_vel geometry_msgs/msg/Twist "{linear: {x: 0.5}}"

3. Service（服務）

Service 是 Node 之間的請求/回應通訊，像是函數呼叫。

客戶端 (Client)              伺服器 (Server)
     │                           │
     ├── Request ───────────────→│
     │                           │（處理請求）
     │←─────────────── Response ─┤

Web API ──請求──→ /get_robot_status ──回應──→ Web API

特點：

一對一：一個請求對應一個回應
同步：客戶端等待回應
適合：設定參數、觸發動作、查詢狀態

# 查看所有 Service
ros2 service list

# 查看 Service 類型
ros2 service type /get_robot_status

# 呼叫 Service
ros2 service call /get_robot_status std_srvs/srv/Trigger

4. Action（動作）

Action 用於長時間執行的任務，提供進度回饋和取消功能。

客戶端 (Client)              伺服器 (Server)
     │                           │
     ├── Goal ──────────────────→│（開始執行）
     │←─────────── Feedback ─────┤（回報進度 10%）
     │←─────────── Feedback ─────┤（回報進度 50%）
     │←─────────── Feedback ─────┤（回報進度 90%）
     │←─────────── Result ───────┤（完成/失敗）

導航請求：
Web API ──目標──→ /navigate_to_pose ──進度──→ Web API
                                   ──結果──→

特點：

可以取消執行中的任務
提供進度回饋
適合：導航、夾取、長時間運算

# 查看所有 Action
ros2 action list

# 查看 Action 資訊
ros2 action info /navigate_to_pose

# 發送 Action 目標
ros2 action send_goal /navigate_to_pose nav2_msgs/action/NavigateToPose "{...}"

概念比較

通訊方式	模式	同步性	適用場景
Topic	發布/訂閱	非同步	感測器資料、狀態串流
Service	請求/回應	同步	設定、查詢、短任務
Action	目標/回饋/結果	非同步	導航、長時間任務

Workspace 與 Package

Workspace（工作空間）

Workspace 是存放 ROS2 套件的目錄，結構如下：

my_ws/                    # Workspace 根目錄
├── src/                  # 原始碼
│   ├── package_a/
│   └── package_b/
├── build/                # 建置產物（自動產生）
├── install/              # 安裝檔案（自動產生）
└── log/                  # 建置日誌（自動產生）

Package（套件）

Package 是 ROS2 的基本組織單位，包含：

my_package/
├── package.xml           # 套件描述（名稱、依賴）
├── setup.py              # Python 套件設定
├── my_package/           # Python 模組
│   ├── __init__.py
│   └── my_node.py
├── launch/               # Launch 檔案
├── config/               # 設定檔
└── test/                 # 測試

colcon：建置工具

ROS2 使用 colcon 建置套件：

# 進入 Workspace
cd ~/my_ws

# 建置所有套件
colcon build

# 建置特定套件
colcon build --packages-select my_package

# 只建置有變更的套件
colcon build --packages-select my_package --symlink-install

# 載入環境
source install/setup.bash

symlink-install 選項很實用：修改 Python 檔案後不需要重新建置。

常用指令速查

節點與 Topic

# 節點
ros2 node list                    # 列出節點
ros2 node info /node_name         # 節點資訊

# Topic
ros2 topic list                   # 列出 Topic
ros2 topic info /topic_name       # Topic 資訊
ros2 topic echo /topic_name       # 監聽資料
ros2 topic hz /topic_name         # 發布頻率
ros2 topic pub /topic ...         # 發布資料

Service 與 Action

# Service
ros2 service list                 # 列出 Service
ros2 service type /service_name   # 查看類型
ros2 service call /service ...    # 呼叫 Service

# Action
ros2 action list                  # 列出 Action
ros2 action info /action_name     # Action 資訊
ros2 action send_goal /action ... # 發送目標

套件與建置

# 套件資訊
ros2 pkg list                     # 列出套件
ros2 pkg prefix package_name      # 套件路徑
ros2 pkg executables package_name # 可執行檔

# 建置
colcon build                      # 建置全部
colcon build --packages-select pkg    # 建置特定套件
colcon build --symlink-install    # 符號連結模式

# 環境載入
source /opt/ros/jazzy/setup.bash  # 載入 ROS2 基礎
source install/setup.bash         # 載入 Workspace

Launch

# 啟動 Launch 檔案
ros2 launch package_name launch_file.py

# 帶參數
ros2 launch package_name launch_file.py arg:=value

環境建置

官方安裝指南

ROS2 Jazzy 官方安裝文件非常完整，請參考：

📖 ROS2 Jazzy 安裝指南（Ubuntu 24.04）

簡要步驟：

# 1. 設定 locale
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

# 2. 加入 ROS2 apt repository
sudo apt install software-properties-common
sudo add-apt-repository universe
sudo apt update && sudo apt install curl -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

# 3. 安裝 ROS2 Jazzy
sudo apt update
sudo apt install ros-jazzy-desktop  # 完整桌面版（含 RViz）
# 或
sudo apt install ros-jazzy-ros-base # 基礎版（無 GUI）

# 4. 環境設定（加入 ~/.bashrc）
echo "source /opt/ros/jazzy/setup.bash" >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc

# 5. 安裝開發工具
sudo apt install python3-colcon-common-extensions

驗證安裝

# 檢查 ROS2 版本
ros2 --version

# 測試通訊
# 終端機 1：啟動 talker
ros2 run demo_nodes_cpp talker

# 終端機 2：啟動 listener
ros2 run demo_nodes_cpp listener

# 應該看到 listener 收到 talker 的訊息

學習資源

官方文件（推薦）

資源	連結	說明
官方教學	ROS2 Jazzy Tutorials	從入門到進階的完整教學
概念說明	ROS2 Concepts	核心概念詳細解說
API 文件	rclpy API	Python API 參考

實用工具

# rqt：圖形化工具集
sudo apt install ros-jazzy-rqt*
rqt                              # 啟動 rqt
rqt_graph                        # 查看節點關係圖

# RViz2：3D 視覺化
rviz2

小結

這篇文章介紹了 ROS2 的核心概念：

概念	說明
Node	最小執行單位，獨立的程式
Topic	發布/訂閱模式，適合串流資料
Service	請求/回應模式，適合短任務
Action	長時間任務，提供進度回饋
Workspace	存放套件的目錄
Package	ROS2 的基本組織單位
colcon	建置工具

ROS2 官方文件寫得非常完整，建議直接閱讀官方教學深入學習！

參考資源

ROS2 官方網站
ROS2 Jazzy 文件
ROS2 GitHub
ROS Answers（社群問答）
The Robotics Back-End（優質教學部落格）