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【ROS2】ROS2 插件开发流程（基于 pluginlib）

backend 2025/5/16 14:48:01

概述

在 ROS 2 系统中，pluginlib 是一个支持运行时动态加载 C++ 插件的框架，广泛用于控制器、导航模块、传感器驱动等模块化场景。相比传统的静态类继承方式，pluginlib 允许开发者在不修改主程序的前提下，通过字符串指定并加载不同的功能模块，实现高度解耦与可扩展设计。

本篇文档系统地梳理了 ROS 2 插件开发的完整流程，包括：

如何定义接口类与派生类；
如何将插件注册并编译为 .so 共享库；
如何配置 XML 描述文件供运行时识别；
如何在主程序中通过字符串加载并调用插件类；
插件在编译期和运行期的完整链路逻辑。

最终目标是实现这样一种能力：

在运行时仅通过字符串名称，即可加载并调用任意插件类，无需修改或重新编译主程序。

本流程结合实际 CMake 与 pluginlib 的接口调用，详细解释了插件的“构建 → 导出 → 注册 → 加载 → 调用”全周期流程。

一、插件开发概述

ROS 2 中的 pluginlib 提供了运行时插件加载机制，广泛应用于控制器、导航、硬件驱动等场景。整个插件的开发流程包括以下六个步骤：

步骤 1：定义接口（基类）

创建一个纯虚类，用于定义通用行为接口。
必须至少有一个纯虚函数，用于派生类重写。

class MotionController {
public:virtual void start() = 0;virtual void stop() = 0;virtual ~MotionController() {}
};

步骤 2：派生具体实现类

创建实现类，继承基类，使用 override 明确重写。

class SpinMotionController : public MotionController {
public:void start() override;void stop() override;
};

步骤 3：编写实现 `.cpp`

实现类中声明的函数逻辑。

void SpinMotionController::start() {std::cout << "SpinMotionController::start" << std::endl;
}
void SpinMotionController::stop() {std::cout << "SpinMotionController::stop" << std::endl;
}

步骤 4：注册插件类

使用 PLUGINLIB_EXPORT_CLASS 宏注册类，便于 pluginlib 在运行时创建其实例。

#include <pluginlib/class_list_macros.hpp>
PLUGINLIB_EXPORT_CLASS(motion_control_system::SpinMotionController, motion_control_system::MotionController)

步骤 5：配置插件描述文件（XML）

声明插件库与类信息，供 pluginlib 在运行时查找使用。

<library path="spin_motion_controller"><classname="motion_control_system/SpinMotionController"type="motion_control_system::SpinMotionController"base_class_type="motion_control_system::MotionController"><description>Spin Motion Controller</description></class>
</library>

path: 动态库文件名，不含 lib 前缀和 .so 后缀，即对应libspin_motion_controller.so库，这个库的创建设置在CMakeLists中有描述，后面会提到。

name: 插件的唯一标识符，用于加载时传入。

type: 实际 C++ 实现类名。

base_class_type: 必须与 ClassLoader 的基类一致。

步骤 6：动态加载插件

pluginlib::ClassLoader<motion_control_system::MotionController> loader("motion_control_system", "motion_control_system::MotionController");
auto controller = loader.createSharedInstance("motion_control_system/SpinMotionController");
controller->start();
controller->stop();

二、编译与运行机制

编译流程

在 CMakeLists.txt 中配置如下：

find_package(pluginlib REQUIRED)# 创建动态库目标
add_library(spin_motion_controller SHARED src/spin_motion_controller.cpp)# 指定依赖项，自动添加头文件路径和链接信息
ament_target_dependencies(spin_motion_controller pluginlib)# 安装插件库（仅 .so 有效）
install(TARGETS spin_motion_controllerARCHIVE DESTINATION libLIBRARY DESTINATION libRUNTIME DESTINATION bin
)# 安装插件描述文件（用于 pluginlib 运行时查找）
pluginlib_export_plugin_description_file(motion_control_system spin_motion_plugins.xml
)

运行流程

加载器通过包名 motion_control_system 找到安装路径：
```
install/share/motion_control_system/spin_motion_plugins.xml
```
解析 XML：
- 找到 name 对应的类；
- 映射到 .so 动态库路径；
- 使用 dlopen 动态加载 .so 文件；
- 使用 dlsym 获取构造函数；
- 创建类实例并调用接口。

三、关键概念补充

项目	含义
`.so`	共享库，支持运行时加载（pluginlib 的必要前提）
`pluginlib_export_plugin_description_file(...)`	安装 XML 到 `share/包名/`，供运行时读取
`ament_target_dependencies(...)`	为目标添加头文件路径、链接库、编译选项
`createSharedInstance()`	基于插件唯一标识符（字符串）动态构造类实例
`ClassLoader`	插件加载核心类，内部使用 `dlopen` + `dlsym`

四、插件运行示例结构

# 编译
colcon build --packages-select motion_control_system
source install/setup.bash# 运行
./install/motion_control_system/lib/motion_control_system/test_plugin motion_control_system/SpinMotionController

五、目录结构参考

motion_control_system/
├── CMakeLists.txt
├── package.xml
├── spin_motion_plugins.xml
├── include/
│   └── motion_control_system/
│       ├── motion_control_interface.hpp
│       └── spin_motion_controller.hpp
└── src/├── spin_motion_controller.cpp└── test_plugin.cpp

插件加载流程图：