09 · 速度控制 cmd_vel

目标

发布 geometry_msgs/Twist 到 /cmd_vel，理解移动机器人最常用的速度接口。

概念

差速小车通常订阅：

/cmd_vel  (geometry_msgs/msg/Twist)
  linear.x   前进速度 (m/s)
  angular.z  转向角速度 (rad/s)

本课先只发话题（用 ros2 topic echo 观察）。到第 11 课接上 Gazebo 后，同一话题就能开车。

通俗理解

本课只讲“怎么发速度指令”，不讲 PID。

/cmd_vel 是上层对底盘说的话：

“请以线速度 (v)、角速度 (\omega) 运动。”

谁听、怎么变成电机电流/PWM，是下一层的事（差速驱动、ros2_control、板子上的速度环/PID）。本课停在“把期望速度发到话题上”。

你的节点  --发布 Twist-->  /cmd_vel  --订阅-->  底盘/仿真插件
                              ↑
                         第 09 课停在这里

平面差速车通常只用两个量：

• linear.x：前进/后退（m/s），(x) 一般是车头方向
• angular.z：绕竖直轴转向（rad/s）

逐步推导：差分驱动 $(v,\omega )$ 怎样变成左右轮速（点击展开）

轮距 $L$，轮半径 $r$。车体在平面上的瞬时运动：绕瞬时转动中心转。左轮线速度 $v_L=v-\omega L/2$，右轮 $v_R=v+\omega L/2$（符号约定：$\omega >0$ 左转，右轮更快）。再除以 $r$ 得轮角速度，送给电机。本课不发轮速，只发 $v,\omega$：仿真插件或 ros2_control 在下一层做这道转换和 PID。

数字。 $v=0.2\mathrm{m}/\mathrm{s}$，$\omega =0$：两轮一样快，直行。$v=0$，$\omega =0.3\mathrm{rad}/\mathrm{s}$：原地转，左右轮反向。积分一小步 $\mathrm{\Delta }t$：航向 $\theta \leftarrow \theta +\omega \mathrm{\Delta }t$，位置 $x\leftarrow x+v\cos \theta \mathrm{\Delta }t$。开环会漂，所以真机要用里程计/TF 闭环——那是定位课，不是本课的 PID。

常见疑问

Q：这一节也管 PID 吗？
不管。这里是开环的“期望速度接口”。PID 在接收端用反馈去追这个期望；仿真里插件代劳，真机上多在驱动/ros2_control 里。

Q：这两行代码在干什么？

msg.linear.x = float(self.get_parameter('linear_x').value)
msg.angular.z = float(self.get_parameter('angular_z').value)

片段	含义
msg.linear.x = ...	填前进速度
msg.angular.z = ...	填转向角速度
get_parameter(...).value	从 ROS 参数读数（可用 -p 改，不必改代码）
float(...)	保证类型是浮点，匹配 Twist 字段

等于在填一张速度单；其它 linear.y/z、angular.x/y 对平面车一般保持 0。

Q：为什么话题叫 cmd_vel？
社区约定：command velocity。导航、键盘遥控、很多仿真都认这个名字。

Q：发了 cmd_vel 车为什么不动？
本课若没接仿真/真机，本来就不会动，只能 topic echo 看到数。第 11 课接上 Gazebo 后才会跑。

动手

source /opt/ros/humble/setup.bash
source $ROS_WS/install/setup.bash

ros2 run py_learning cmd_vel_publisher --ros-args \
  -p linear_x:=0.2 -p angular_z:=0.3

另开终端：

ros2 topic echo /cmd_vel

命令行发一次：

ros2 topic pub --once /cmd_vel geometry_msgs/msg/Twist \
  "{linear: {x: 0.1}, angular: {z: 0.0}}"

关键命令

ros2 topic info /cmd_vel
ros2 interface show geometry_msgs/msg/Twist
ros2 topic pub -r 10 /cmd_vel geometry_msgs/msg/Twist "{linear: {x: 0.15}, angular: {z: 0.2}}"

对照代码

文件	作用
cmd_vel_publisher.py	周期发布 Twist

关键两行（填速度单，不是 PID）：

msg.linear.x = float(self.get_parameter('linear_x').value)   # 前进 m/s
msg.angular.z = float(self.get_parameter('angular_z').value) # 转向 rad/s

小练习

1. 只给 angular.z，想象原地转。
2. 第 11 课仿真起来后，用本节点或 topic pub 开车。

验证标准（给学员与 AI）

• [ ] cmd_vel_publisher 运行中 ros2 topic echo /cmd_vel 能看到 Twist
• [ ] 能说明：本课只发期望速度，不包含 PID
• [ ] 能解释 linear.x / angular.z 含义

失败时：先 source 工作区；本课无仿真时车不会动是正常的。

小结

• /cmd_vel 是移动机器人的“油门方向盘”话题。
• 下一课：10 · URDF