【ROS2】Rviz基础介绍

CH_Qing

1508人浏览 · 2025-10-23 11:25:27

CH_Qing · 2025-10-23 11:25:27 发布

1. 机器人项目的基本构成模块

通过以前章节的学习，我们知道了一个机器人项目，大概需要很多模块，我们用一张图来清晰的描述这些所需的模块。
在这里插入图片描述

2. 什么是RViz？

RViz（ROS Visualization）是 ROS/ROS 2 提供的一个可视化工具，用于可视化机器人状态、传感器数据、环境信息和机器人的运动轨迹等。RViz 在机器人开发中非常重要，作用主要包括：

1. 可视化传感器数据
- 激光雷达（LiDAR）的点云
- 摄像头图像、深度图
- IMU、GPS 等传感器数据
2. 可视化机器人状态和模型
- URDF/Xacro 机器人模型
- 机器人的关节状态（joint state）
- 机器人当前位姿（pose）
3. 路径和规划可视化
- 导航路径、轨迹
- 动作规划（MoveIt2 规划轨迹）
4. 调试和开发
- 可以查看 topic 数据，帮助验证传感器数据是否正确
- 可用于调试机器人算法、SLAM、导航、避障等模块

2.1 Rviz 启动 & 使用

$ source /opt/ros/humble/setup.bash
$ ros2 run rviz2 rviz2
# 指定配置文件
$ ros2 run rviz2 rviz2 -- -d ~/ros2_ws/src/my_robot/rviz/my_robot_view.rviz
# 或者
$ rviz2 -d ~/ros2_ws/src/my_robot/rviz/my_robot_view.rviz

当 RViz 第一次启动时，你会看到这个窗口：
在这里插入图片描述
中间的大黑窗口是 3D 视图（目前为空，因为没有可显示的内容）。左侧是 Displays 列表，会显示你加载的所有 Display。目前它只包含全局选项和一个 Grid 网格，稍后我们会讲到。右侧是其他一些面板，下面会详细说明。

根据前面章节的描述，我们使用Rviz 可以直接显示出URDF 中描述的机器人模型，其原理如下：

RViz 订阅 /robot_description topic 或读取机器人模型参数
然后根据 URDF 渲染 3D 模型

然而，URDF 只描述机器人模型本身，也就是说你只能在Rviz 中看到机器人基础模型，不能看到机器人在ROS 2 中的数据，例如：

激光雷达扫描（LaserScan）
点云数据（PointCloud2）
机器人路径轨迹（Path）
坐标系（TF）

又根据上面描述的Rviz 的一个主要功能是 可视化传感器数据。看来，我们之前了解的Rviz，只是显示了它的模型，并没有关注其数据显示的部分。那么，到底如何显示ROS 2 中的数据呢？ 那就是Display！

3. 什么是Displays

在 RViz 中，Display 是一种可视化模块或组件，它负责在 3D 窗口中把 ROS 2 世界中的数据“画出来”。

每个 Display 对应一种数据类型或一种可视化方式。
它会订阅 ROS 2 的 topic 或读取机器人状态，并将数据转换为图形显示。
RViz 支持多种 Display，可以同时显示多个不同的数据。

3.1 Display 的工作原理

1. 订阅数据
- Display 会订阅 ROS 2 topic（如 /scan、/tf、/camera/image_raw 等）。
- 根据消息类型，它知道如何解析数据。
2. 渲染内容
- 将数据绘制在 3D 窗口中。
- 比如：
  - LaserScan Display → 把激光雷达扫描点画出来
  - PointCloud2 Display → 把点云数据渲染为 3D 点
  - RobotModel Display → 根据 URDF 画出机器人模型
3. 提供可配置选项
- 每个 Display 都可以调整显示效果：
  - 颜色、大小、透明度
  - 数据更新频率
  - 坐标系选择
- 这些选项都在 Displays 列表中可见并可编辑。

3.2 Display 的类型举例

Display 类型	数据来源（订阅topic）	可视化内容	用途
RobotModel	`/robot_description` + `/joint_states`	机器人模型	验证 URDF、关节动作
LaserScan	`/scan`	激光雷达扫描点	查看障碍物、调试雷达
PointCloud2	`/velodyne_points`	点云数据	3D 环境建模
Path	`/planned_path`	路径轨迹	导航或运动规划可视化
TF	`/tf`	坐标系关系	检查机器人坐标系是否正确

3.3 添加一个新的Display

要添加一个 Display，请点击底部的 Add 按钮：
在这里插入图片描述
这会弹出新建 Display 对话框：

顶部的列表显示 Display 类型。类型说明了该 Display 将可视化哪种数据。中间的文本框提供所选 Display 类型的描述。最后，你必须为 Display 设置一个唯一名称。例如，如果你的机器人上有两个激光雷达，你可以创建两个 Laser Scan Display，分别命名为 “Laser Base” 和 “Laser Head”。

3.3.1 Display 属性

每个 Display 都有自己的一组属性列表。例如：
在这里插入图片描述

3.3.2 Display 状态

每个 Display 都有自己的状态，用来帮助你判断它当前是否正常工作。
状态可能是以下几种之一：OK（正常）、Warning（警告）、Error（错误）或 Disabled（禁用）。
Display 的状态会通过标题栏的背景颜色来表示，同时在你展开该 Display 时，也可以在 Status（状态）分类下看到详细信息。
在这里插入图片描述
“Status（状态）”分类还可以展开，以显示更具体的状态信息。
这些信息会因不同的 Display 而有所不同，通常从提示内容本身就能理解其含义。

3.3.3 配置

不同的 Display 配置在可视化工具的不同使用场景中往往会非常有用。
例如，适用于完整 PR2 机器人的配置，不一定适合用于测试小车。
因此，RViz 可视化工具允许你加载和保存不同的配置，以便根据需要切换使用。
一个配置包含以下内容：

Displays 及其属性
工具（Tool）的属性
3D 可视化的视角和相关设置

3.3.4 视图面板（Views Panel）

在 RViz（可视化工具）里，你可以用 不同的方式来观察 3D 场景，就像换不同的“摄像机”来看机器人和环境。
在这里插入图片描述
具体来说，RViz Views 提供了多种摄像头视角，来供你选用。

控制方式不同
- 有的摄像机让你环绕目标旋转查看（Orbit）
- 有的摄像机像第一人称视角一样，可以自由前后左右移动（FPS）
- 有的摄像机固定在上方俯视（Top-down）
投影方式不同
- 透视投影（Perspective）：远的物体看起来小，近的物体看起来大，像我们平时用眼睛看到的效果
- 正交投影（Orthographic）：远近不影响大小，物体尺寸固定，常用于工程图或精确测量

环绕摄像机（Orbital Camera，默认）

环绕摄像机会围绕一个焦点旋转，同时始终注视该焦点。当你移动摄像机时（3D界面），焦点会以一个小圆盘的形式显示出来。
在这里插入图片描述
操作方式：

左键：点击并拖动以围绕焦点旋转视角。
中键：点击并拖动以在摄像机的上向量和右向量所在的平面内移动焦点。移动的距离取决于焦点的位置——如果焦点上有物体，并且你点击在物体上，它会保持在鼠标下方。
右键：点击并拖动以对焦点进行放大或缩小。向上拖动放大，向下拖动缩小。
滚轮：对焦点进行放大或缩小。

第一人称（FPS, First-Person）摄像机

FPS 摄像机是一种第一人称视角的摄像机，它的旋转方式就像你用头在观察环境一样。
操作方式：

左键：点击并拖动以旋转视角。按住 Ctrl 再点击可以选择鼠标下的物体并直接注视它。
中键：点击并拖动以在摄像机的上向量和右向量所在的平面内移动。
右键：点击并拖动沿摄像机的前向向量移动。向上拖动向前移动，向下拖动向后移动。
滚轮：沿前向向量前后移动。

俯视正交摄像机（Top-down Orthographic）

俯视正交摄像机会始终沿 Z 轴（机器人坐标系中）向下观察，并使用正交投影，这意味着物体不会随着距离变远而变小。
操作方式：

左键：点击并拖动绕 Z 轴旋转。
中键：点击并拖动沿 XY 平面移动摄像机。
右键：点击并拖动缩放视图。
滚轮：缩放视图。

XY 环绕摄像机（XY Orbit）

与环绕摄像机相同，但焦点被限制在 XY 平面内。
操作方式：

参考 环绕摄像机（Orbital Camera） 的操作方式。

第三人称跟随摄像机（Third Person Follower）

该摄像机会始终保持对目标坐标系的固定观察角度。与 XY 环绕摄像机不同，当目标坐标系偏航（旋转）时，摄像机会随之转动。例如，如果你在对带有拐角的走廊进行 3D 建图，这种摄像机模式会非常有用。

操作方式：

参考 环绕摄像机（Orbital Camera） 的操作方式。

自定义视图（Custom Views）

视图面板还允许你创建不同的命名视图，这些视图可以保存并在它们之间切换。
一个视图包含以下内容：

目标坐标系（target frame）
摄像机类型（camera type）
摄像机姿态（camera pose）
你可以通过点击视图面板的保存（Save）按钮来保存当前视图。

一个视图包含以下内容：
视图控制器类型（View controller type）
视图配置（View configuration）：包括位置、朝向等；不同的视图控制器类型可能有不同的配置项
目标坐标系（Target Frame）

视图是按用户保存的，不会保存在配置文件中。

3.3.5 坐标系（Coordinate Frames）

RViz 使用 tf 变换系统，将数据从它所在的坐标系转换到全局参考坐标系。在可视化中，有两个重要的坐标系需要了解：目标坐标系（Target Frame） 和 固定坐标系（Fixed Frame）。

固定坐标系（The Fixed Frame）

这两个坐标系中更重要的是固定坐标系。

固定坐标系是用于表示世界坐标的参考系。
通常是 map、world 或类似的全局坐标系，也可以是例如你的里程计坐标系（odometry frame）。

❗ 注意：

如果固定坐标系错误地设置为机器人底座（base），那么机器人曾经看到的所有物体都会显示在机器人前方，并以被检测时相对于机器人的位置显示。
为了得到正确的结果，固定坐标系 不应随世界移动。
如果你更改固定坐标系，当前显示的所有数据会被清空，而不是重新变换。

目标坐标系（The Target Frame）

目标坐标系是摄像机视角的参考坐标系。

例如，如果目标坐标系是 map，你会看到机器人在地图上移动。
如果目标坐标系是机器人的底座（base），机器人会保持在屏幕中央，而其他所有物体相对于它移动。

3.3.6 工具（Tools）

RViz 可视化工具栏中提供了多种工具可供使用。下面的章节将对这些工具进行简要介绍。
你也可以通过菜单 Help → Show Help panel 获取更多信息。
在这里插入图片描述
交互工具（Interact）
该工具允许你与可视化环境进行交互。
你可以点击对象，根据对象属性进行选择、移动等操作。

快捷键：i

移动摄像机（Move Camera）
移动摄像机工具是默认工具。
当选择该工具并在 3D 视图中点击时，视角会根据你在 Views 面板 中选择的摄像机类型和选项进行变化。

快捷键：m
详细信息请参考前面 Views Panel 章节。

选择工具（Select）
选择工具允许你选中 3D 视图中显示的项目。

支持 单点选择 和 框选（点击并拖动）
按住 Shift 可以增加选中项
按住 Ctrl 可以从选中项中移除
若在选择时想移动摄像机而不切回 Move Camera 工具，可按住 Alt
按 f 键可以将摄像机焦点对准当前选中的对象

选择工具快捷键：s

聚焦摄像机（Focus Camera）
聚焦摄像机工具允许你在可视化界面中选择一个位置。
摄像机会旋转以注视该点，但不会改变自身的位置。

快捷键：c

测量工具（Measure）
使用测量工具可以测量可视化界面中两点之间的距离。

激活工具后，第一次点击设置起点，第二次点击设置终点。
测量结果会显示在 RViz 窗口底部。
注意：测量工具只对实际渲染的对象有效，不能在空白区域使用。

快捷键：n

二维位姿估计（2D Pose Estimate）
该工具允许你为定位系统设置初始位姿（会发布到 initialpose ROS 话题）。

使用方法：在地面平面上点击一个位置，并拖动以选择朝向。
输出话题可以在 Tool Properties（工具属性） 面板中修改。

该工具适用于 导航栈（navigation stack）。
快捷键：p

2D Nav Goal（二维导航目标）

该工具允许你设置一个目标位姿，会发布到 goal_pose ROS 话题。
使用方法：在地面平面上点击目标位置，并拖动以选择朝向。
输出话题可以在 Tool Properties（工具属性） 面板中修改。
该工具适用于 导航栈（navigation stack）。
快捷键：g

Publish Point（发布点）

该工具允许你在可视化界面中选择一个对象，工具会根据所在坐标系发布该点的坐标。
测量结果会显示在 RViz 窗口底部（类似测量工具），同时发布到 clicked_point 话题。
快捷键：u

时间面板（Time）

时间面板主要在 仿真环境 中有用，它可以显示 ROS 时间 已经过了多久，以及 实际时间（Wall Clock，即真实时间） 已经过了多久。
时间面板还可以 重置可视化工具的内部时间状态，这会重置所有 Display 的显示以及 tf 的内部数据缓存。

如果不在仿真环境中运行，时间面板作用不大。大多数情况下可以关闭，不会影响 RViz 的其他功能，同时还能腾出更多屏幕空间。

4. 应用实例

如何把自己写的 URDF 模型在 RViz 中显示，并且让它能 关联对应的传感器/关节数据？这样机器人模型就能动起来或者显示传感器信息。我们可以分步骤来看：

4.1 在 RViz 中显示机器人模型

打开 RViz：

ros2 run rviz2 rviz2

添加 RobotModel Display：
- 点击左下角 Add → By display type → 选择 RobotModel → 点击 OK
配置 RobotModel 的数据来源：
- Description Source：选择 /robot_description
  - 这个 topic 通常在启动 URDF 的 launch 文件里由 robot_state_publisher 发布：
```
ros2 run robot_state_publisher robot_state_publisher my_robot.urdf
```

4.2 让机器人关节可动（绑定关节状态数据）

RobotModel 显示机器人的静态结构，如果想让关节动，需要 关节状态数据：
1. 确保节点发布 /joint_states 消息：
```
sensor_msgs/msg/JointState
```
  - 包含关节名称、位置、速度、力矩等。
  - 如果你有仿真环境或实际机器人，可以通过 joint_state_publisher 发布：
```
ros2 run joint_state_publisher joint_state_publisher
```
2. 在 RobotModel Display 中，选择 Joint States Topic 为 /joint_states
3. 此时，URDF 模型就会根据关节状态动态移动。