【ROS2学习笔记】分布式通信 - 教程

前言

本系列博文是本人的学习笔记，自用为主，不是教程，学习请移步其他大佬的相关教程。前几篇学习资源来自鱼香ROS大佬的详细教程，适合深入学习，但对本人这样的初学者不算友好，后续笔记将以@古月居的ROS2入门21讲为主，侵权即删。

一、学习目标

1. 搞懂 “分布式系统” 的核心意义 —— 为什么机器人需要多台电脑分工干活
2. 掌握 ROS 分布式的核心逻辑：不用改代码，多台电脑就能互通
3. 学会树莓派的关键配置（装系统、ROS2、远程桌面），模拟机器人端计算平台
4. 能独立完成 4 个分布式案例（话题、服务、小海龟、视觉），验证跨机通信
5. 记住分布式通信的 “坑点”（网络、分组），避免调试时踩雷

二、为什么需要 ROS 分布式？

2.1 机器人的 “算力烦恼”（问题所在）

如果把机器人的所有功能（传感器驱动、电机控制、视觉识别、导航）都放在一台电脑上，会遇到两个大问题：

• 算力不够：视觉识别、导航规划这些功能很耗 CPU/GPU，比如树莓派（小体积、低功耗）跑不动复杂视觉算法；
• 卡顿延迟：一个电脑同时处理太多任务，会导致传感器数据延迟，甚至电机控制不及时，机器人 “反应变慢”。

2.2 分布式的解决方案：“分工合作”

分布式系统就是把机器人的任务拆给多台电脑，每台电脑负责一部分，像 “流水线” 一样配合：

• 例：机器人常用的 “两机分工”

  电脑类型	放置位置	负责任务（轻量 / 底层）	优点
  树莓派 / 嵌入式	机器人本体上	传感器驱动（相机、激光）、电机控制	体积小、功耗低，适合装在机器人上
  笔记本 / 台式机	远程（比如桌面）	视觉识别、导航规划、人机交互（监控）	算力强，能跑复杂算法

• 关键优势：不用改代码！ROS 已经做好了跨机通信的底层，只要配置好环境，多台电脑就像 “一台电脑” 一样通信。

三、什么是 ROS 分布式？（核心概念）

3.1 一句话说清：多台电脑的 “ROS 局域网”

ROS 分布式是指：多台安装了 ROS 的电脑，在同一个局域网内，能互相发现对方的节点、话题、服务、动作，实现数据传输。比如：树莓派（机器人端）发布相机图像话题，笔记本（远程端）订阅这个话题做视觉识别 —— 就像两个节点在同一台电脑上一样。

3.2 机器人分布式的典型场景（有画面感）

用 “树莓派 + 笔记本” 模拟真实机器人系统：

1. 树莓派（机器人上）：接相机、电机，负责 “底层干活”—— 发布相机图像（image_raw话题）、接收速度指令（cmd_vel话题）控制电机；
2. 笔记本（远程）：负责 “上层思考”—— 订阅图像做红色目标识别、发布速度指令控制机器人运动；
3. 通信效果：树莓派的图像能实时传到笔记本，笔记本的指令能实时发给树莓派，中间不用写任何 “跨机通信代码”。

四、实操 1：树莓派配置（机器人端计算平台）

树莓派是机器人分布式的 “常客”（小、轻、便宜），我们需要把它配置成 “机器人端的 ROS 节点”，步骤分 4 步：

4.1 第一步：给树莓派装系统（Ubuntu Mate）

树莓派不能直接装普通 Ubuntu，需要用 “适配 ARM 架构” 的系统，推荐Ubuntu Mate（对 ROS 支持好，操作简单）。

具体步骤（小白友好）：

1. 下载镜像：官网链接：https://ubuntu-mate.org/download/选择 “Raspberry Pi” 版本（比如 Ubuntu Mate 22.04，对应 ROS2 Humble）。
2. 烧录镜像到 SD 卡：
   • 工具：用Raspberry Pi Imager（官网下载：https://www.raspberrypi.com/software/ ），支持 Windows/Mac/Linux；
   • 操作：打开工具→选择 “自定义镜像”（刚才下载的 Ubuntu Mate）→选择 SD 卡→点击 “烧录”（等待 5-10 分钟）。
3. 启动树莓派：
   • 把 SD 卡插入树莓派，接电源、显示器、键盘鼠标；
   • 第一次启动会提示设置语言、用户名、密码（记好，后续远程要用）。

4.2 第二步：给树莓派装 ROS2（和 PC 端一样）

树莓派的 ROS2 安装流程和笔记本完全一致，以ROS2 Humble为例（对应 Ubuntu 22.04）：

核心步骤（详细命令）：

1. 设置软件源（允许从国外源下载 ROS2）：

   # 设置编码
   sudo locale-gen en_US en_US.UTF-8
   sudo update-locale LC_ALL=en_US.UTF-8 LANG=en_US.UTF-8
   export LANG=en_US.UTF-8
   # 添加ROS2软件源
   sudo apt update && sudo apt install -y curl gnupg lsb-release
   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 $(source /etc/os-release && echo $UBUNTU_CODENAME) main" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/ros2.list > /dev/null

2. 安装 ROS2 基础包：

   sudo apt update && sudo apt upgrade -y
   # 安装基础版（足够做分布式测试）
   sudo apt install -y ros-humble-ros-base
   # 安装常用工具（话题查看、节点管理）
   sudo apt install -y ros-humble-rqt ros-humble-rqt-tf-tree

3. 设置环境变量（每次启动终端自动加载 ROS2）：

   echo "source /opt/ros/humble/setup.bash" >> ~/.bashrc
   source ~/.bashrc  # 立即生效

4. 验证安装：运行ros2 --version，如果输出 “ros2 humble”，说明安装成功。

4.3 第三步：树莓派编译 ROS 代码（和 PC 端同步）

为了测试分布式，需要把之前写的代码（比如learning_topic、learning_service）传到树莓派：

方法 1：用 U 盘拷贝

1. 笔记本上把dev_ws/src（ROS 工作空间的源码目录）拷贝到 U 盘；
2. 树莓派插上 U 盘，把src目录复制到树莓派的dev_ws/src（没有就新建：mkdir -p ~/dev_ws/src）。

方法 2：用 Git（推荐，方便更新）

1. 笔记本上把代码上传到 GitHub/GitLab；
2. 树莓派上克隆代码：

   mkdir -p ~/dev_ws/src
   cd ~/dev_ws/src
   git clone 你的代码仓库地址  # 比如 git clone https://github.com/xxx/ros2_code.git

编译代码：

cd ~/dev_ws  # 进入工作空间
colcon build --symlink-install  # 编译（symlink-install方便修改代码后不用重新编译）
source install/setup.bash  # 加载环境变量

4.4 第四步：配置树莓派远程桌面（不用插显示器）

如果没有多余的显示器 / 键盘，远程桌面能让笔记本 “控制” 树莓派的桌面，方便操作：

步骤（以 VNC 为例）：

1. 树莓派端安装 VNC 服务：

   sudo apt update && sudo apt install -y tightvncserver
   vncserver  # 第一次运行会提示设置密码（记好，远程连接要用）

2. 笔记本端安装 VNC 客户端：
   • 工具：RealVNC Viewer（官网下载：https://www.realvnc.com/en/connect/download/viewer/ ）；
3. 获取树莓派 IP 地址（树莓派终端执行）：

   ifconfig  # 找“wlan0”下的“inet”，比如 192.168.1.105

4. 远程连接：
   • 打开 VNC Viewer→输入树莓派 IP（比如192.168.1.105:1，:1是 VNC 端口）→输入密码→连接成功，就能看到树莓派桌面了。

4.5 参考链接（小白避坑）

如果步骤中遇到问题，可参考详细教程：https://blog.csdn.net/qq_52785580/article/details/122599728 （树莓派 Ubuntu Mate+ROS2 完整配置）

五、实操 2：ROS 分布式通信搭建（核心配置）

5.1 前提条件（必须满足，否则通信失败）

1. 同一局域网：树莓派和笔记本必须连同一个 WiFi / 网线（比如家里的 WiFi，或笔记本开热点给树莓派）；
2. 关闭防火墙：两边都要关，避免防火墙挡住 ROS 数据（命令）：

   sudo ufw disable  # 关闭Ubuntu防火墙（树莓派和笔记本都要执行）

3. 虚拟机注意：如果笔记本用虚拟机装 Ubuntu，必须把虚拟机网络设为桥接模式（否则虚拟机和树莓派不在同一局域网）—— 虚拟机设置→网络适配器→桥接模式。

5.2 测试 1：自带节点跨机通信（talker/listener）

先用水印的demo_nodes测试，验证最基础的话题通信：

步骤：

1. 树莓派端（发布者）：运行talker节点，发布chatter话题（内容 “Hello World”）：

   source /opt/ros/humble/setup.bash  # 加载ROS2环境
   ros2 run demo_nodes_cpp talker      # 启动C++版本的发布者
   # 预期输出：[INFO] [talker]：Publishing: 'Hello World: 1' 'Hello World: 2'...

2. 笔记本端（订阅者）：运行listener节点，订阅chatter话题：

   source /opt/ros/humble/setup.bash  # 加载ROS2环境
   ros2 run demo_nodes_py listener     # 启动Python版本的订阅者
   # 预期输出：[INFO] [listener]：I heard: [Hello World: 1] [Hello World: 2]...

关键结论：不用改任何代码，树莓派的话题能被笔记本收到！

5.3 分布式分组：ROS_DOMAIN_ID（避免干扰）

如果同一局域网有很多 ROS 设备（比如多个机器人），会出现 “互相干扰”（比如 A 机器人的节点被 B 机器人的节点误连）。ROS2 用DOMAIN_ID（小组编号）解决：只有同一 DOMAIN_ID的设备才能通信。

配置方法（树莓派和笔记本都要设置）：

1. 打开终端，编辑~/.bashrc文件（每次启动终端自动加载）：

   nano ~/.bashrc  # 用nano编辑器打开

2. 在文件末尾添加一行（比如设为10，可自定义 0-232 之间的数字）：

   export ROS_DOMAIN_ID=10  # 同一小组的设备必须用相同的ID

3. 保存并生效：

   Ctrl+O  # 保存
   Ctrl+X  # 退出nano
   source ~/.bashrc  # 立即生效

验证分组：

• 把树莓派的 DOMAIN_ID 改成11，笔记本保持10；
• 再运行 talker/listener，会发现笔记本收不到树莓派的话题 —— 证明分组生效。

六、实操 3：4 个分布式案例测试（从简单到复杂）

案例 1：小海龟分布式控制（经典验证）

目标：笔记本启动小海龟仿真器，树莓派启动键盘控制，实现跨机控制。

步骤：

1. 笔记本端（仿真器）：启动小海龟窗口：

   source /opt/ros/humble/setup.bash
   ros2 run turtlesim turtlesim_node  # 小海龟仿真器

2. 树莓派端（键盘控制）：启动键盘控制节点：

   source /opt/ros/humble/setup.bash
   ros2 run turtlesim turtle_teleop_key  # 键盘控制

3. 操作：在树莓派的终端按方向键，笔记本的小海龟会跟着动 —— 跨机控制成功！

案例 2：自定义话题分布式通信（Hello World）

目标：树莓派发布自定义/topic_helloworld话题，笔记本订阅。

步骤：

1. 树莓派端（发布者）：运行之前写的topic_helloworld_pub节点：

   cd ~/dev_ws  # 进入工作空间
   source install/setup.bash  # 加载自定义包环境
   ros2 run learning_topic topic_helloworld_pub  # 启动发布者
   # 预期输出：[INFO] [topic_helloworld_pub]：Publishing: Hello World 1...

2. 笔记本端（订阅者）：运行topic_helloworld_sub节点：

   cd ~/dev_ws
   source install/setup.bash
   ros2 run learning_topic topic_helloworld_sub  # 启动订阅者
   # 预期输出：[INFO] [topic_helloworld_sub]：I heard: Hello World 1...

案例 3：自定义服务分布式通信（加法求和）

目标：笔记本启动加法服务端，树莓派启动客户端，跨机调用服务。

步骤：

1. 笔记本端（服务端）：运行service_adder_server：

   cd ~/dev_ws
   source install/setup.bash
   ros2 run learning_service service_adder_server  # 启动服务端
   # 预期输出：[INFO] [service_adder_server]：Waiting for request...

2. 树莓派端（客户端）：运行service_adder_client，传入参数2和3：

   cd ~/dev_ws
   source install/setup.bash
   ros2 run learning_service service_adder_client 2 3  # 启动客户端，求2+3
   # 预期输出：[INFO] [service_adder_client]：Result of add: 5
   # 笔记本端同步输出：[INFO] [service_adder_server]：Incoming request: a=2, b=3, sum=5

案例 4：机器视觉分布式通信（相机图像）

目标：树莓派接 USB 相机发布/image_raw话题，笔记本订阅并显示图像。

步骤：

1. 树莓派端（相机发布者）：启动usb_cam节点（接好 USB 相机）：

   source /opt/ros/humble/setup.bash
   ros2 run usb_cam usb_cam_node_exe  # 启动相机驱动，发布/image_raw话题
   # 预期输出：显示相机参数（分辨率、帧率），证明相机启动成功

2. 笔记本端（图像订阅者）：运行topic_webcam_sub节点，显示图像：

   cd ~/dev_ws
   source install/setup.bash
   ros2 run learning_topic topic_webcam_sub  # 启动图像订阅者
   # 预期输出：弹出OpenCV窗口，显示树莓派相机拍摄的实时图像

七、分布式通信注意事项（小白避坑指南）

1. 环境变量必须加载：每次启动新终端，都要先source /opt/ros/humble/setup.bash（ROS2 基础环境）和source ~/dev_ws/install/setup.bash（自定义包环境），否则找不到节点；
2. DOMAIN_ID 必须一致：跨机通信的设备，ROS_DOMAIN_ID必须相同，否则收不到数据；
3. 网络问题排查：如果通信失败，先执行ping 树莓派IP（笔记本端）或ping 笔记本IP（树莓派端），能 ping 通说明网络没问题，ping 不通检查 WiFi / 网线；
4. 节点名 / 话题名一致：自定义节点的名称、话题名、服务名必须和 PC 端完全一致（比如树莓派发布/image_raw，笔记本必须订阅/image_raw）；
5. 树莓派性能有限：树莓派跑相机驱动没问题，但不要让它跑视觉识别（会卡顿），视觉任务交给笔记本。

八、复习要点总结（小白必背）

1. 分布式核心：多台电脑分工，不用改代码，ROS 自动跨机通信；
2. 树莓派配置四步走：装 Ubuntu Mate→装 ROS2→编译代码→远程桌面；
3. 通信前提三要素：同一局域网、关闭防火墙、DOMAIN_ID 一致；
4. 案例验证逻辑：从简单（talker/listener）到复杂（视觉），逐步验证；
5. 避坑关键：环境变量要 source、网络要 ping 通、分组 ID 要相同。

ROS 分布式是机器人开发的 “必备技能”，掌握后就能灵活搭配不同算力的设备，让机器人跑得更流畅