ROS Noetic 运行参数热更新：正弦信号

本实验通过一个持续发布正弦信号的 ROS Noetic 节点，演示 dynamic_reconfigure 的使用。节点启动后可以动态调整幅值、频率、相位和消息发布频率，不需要重启程序。

源码位置：src/chap2/ros1_parameter_sine_wave/

1. 实验目标

使用 rospy 创建发布者；
使用动态参数服务器生成参数回调；
在参数变化时更新节点状态以及发布定时器；
使用 dynparam、rostopic 验证参数和话题；
比较普通启动参数与运行时动态参数的区别。

2. 节点结构

文件	作用
`scripts/main.py`	节点入口、动态参数回调、正弦计算与消息发布
`cfg/Params.cfg`	参数名称、默认值和取值范围
`launch/main.launch`	使用 launch 启动模块
`src/ros1_parameter_sine_wave/math_utils.py`	正弦值计算函数
`test/test_math_utils.py`	正弦关键采样点测试

数据流如下：

dynparam 修改参数
    ↓
Params.cfg 参数服务器
    ↓
dynamic_reconfigure 回调
    ↓
定时器计算正弦值
    ↓
/sine_wave/value (std_msgs/Float64)

3. 运行环境

项目	说明
操作系统	Ubuntu 20.04
ROS	ROS Noetic
Python	Python 3.8
依赖	`rospy`、`std_msgs`、`dynamic_reconfigure`

4. 构建

mkdir -p ~/ros1_ws/src
cp -r <仓库路径>/src/chap2/ros1_parameter_sine_wave ~/ros1_ws/src/
cd ~/ros1_ws
source /opt/ros/noetic/setup.bash
catkin_make
source devel/setup.bash

确认包和脚本已经安装：

rospack find ros1_parameter_sine_wave
rosrun ros1_parameter_sine_wave main.py

5. 启动

推荐通过 launch 启动：

roslaunch ros1_parameter_sine_wave main.launch

正常启动时会输出：

[INFO] [sine_wave_node]: 参数已更新: amplitude=1.000, frequency_hz=0.250, publish_rate_hz=20.000, phase_rad=0.000, enabled=true
[INFO] [sine_wave_node]: 发布频率已更新为 20.000 Hz
[INFO] [sine_wave_node]: 正弦信号节点已启动

6. 查看话题

新开一个终端并加载环境：

source /opt/ros/noetic/setup.bash
source ~/ros1_ws/devel/setup.bash
rostopic list
rostopic echo /sine_wave/value
rostopic hz /sine_wave/value

默认参数如下：

参数	默认值	范围	说明
`amplitude`	`1.0`	`0.0` 到 `10.0`	正弦信号幅值
`frequency_hz`	`0.25`	`0.0` 到 `5.0`	正弦信号频率
`publish_rate_hz`	`20.0`	`1.0` 到 `100.0`	消息发布频率
`phase_rad`	`0.0`	`-pi` 到 `pi`	初相位，单位弧度
`enabled`	`true`	布尔值	是否发布消息

7. 在线修改参数

查看当前全部动态参数：

rosrun dynamic_reconfigure dynparam get /sine_wave_node

将幅值从 1 改为 3：

rosrun dynamic_reconfigure dynparam set /sine_wave_node amplitude 3.0

将频率改为 1 Hz：

rosrun dynamic_reconfigure dynparam set /sine_wave_node frequency_hz 1.0

节点会按新频率和当前运行时间重新计算正弦相位，因此切换瞬间可能出现相位跳变；本实验不作为连续调频建模。

将消息发布频率改为 50 Hz：

rosrun dynamic_reconfigure dynparam set /sine_wave_node publish_rate_hz 50.0

暂停和恢复发布：

rosrun dynamic_reconfigure dynparam set /sine_wave_node enabled false
rosrun dynamic_reconfigure dynparam set /sine_wave_node enabled true

参数成功更新后，启动终端会重新打印参数摘要。将发布频率改为 50 Hz 后， rostopic hz /sine_wave/value 应接近 50 Hz。

也可以使用图形界面操作（可选，本次实测使用 dynparam 命令行，未单独测试图形界面）：

rosrun rqt_reconfigure rqt_reconfigure

8. 实测结果

测试环境：Ubuntu 20.04.6、ROS Noetic 1.17.4、Python 3.8.10。

节点启动后的日志如下，默认参数为幅值 1.0、频率 0.25 Hz、发布频率 20 Hz：

节点启动日志

将参数修改为幅值 3.0、频率 1.0 Hz、发布频率 50 Hz 后，dynparam get 确认新参数已经生效：

{'enabled': True, 'amplitude': 3.0, 'frequency_hz': 1.0,
 'publish_rate_hz': 50.0, 'phase_rad': 0.0}

新终端中的实测结果为：

检查项	结果
修改前发布频率	约 20 Hz
修改后发布频率	49.998 Hz、49.997 Hz
发布周期	最小 0.019 s，最大 0.021 s
话题数值	从 2.326 上升到 2.952，并继续向 3.0 接近
单元测试	2 tests，0 errors，0 failures，0 skipped
100 个样本最小值	-2.9956
100 个样本最大值	2.9955
峰峰值	5.9911

参数热更新和话题实测

进一步在幅值 3.0、频率 1.0 Hz、发布频率 50 Hz 的条件下采集 100 个样本，结果与理论值一致：

测试结果和样本统计

9. 测试

cd ~/ros1_ws
source /opt/ros/noetic/setup.bash
source devel/setup.bash
catkin_make run_tests_ros1_parameter_sine_wave
catkin_test_results build/test_results/ros1_parameter_sine_wave

单元测试覆盖 1 Hz 正弦信号在零周期、四分之一周期、半周期和四分之三周期处的取值，并检查初相位。

10. 常见问题

现象	原因	处理
找不到 `ros1_parameter_sine_wave`	没有加载工作空间	执行 `source devel/setup.bash`
`main.py` 没有执行权限	脚本未通过 `catkin_install_python` 安装	重新运行 `catkin_make`
修改参数后频率没变化	查看的是旧进程或参数名错误	用 `dynparam get` 和 `rosnode info` 核对
暂停后收不到消息	`enabled` 已设为 `false`	将 `enabled` 重新设为 `true`

11. 小结

dynamic_reconfigure 适合调试期间需要在线调整的节点参数。参数范围在 cfg/Params.cfg 中统一声明，节点通过回调获得最新配置；普通 launch 参数则更适合启动后保持不变的配置。