linux ros

ros学习记录（1）——ROS概述与环境搭建

本篇重点在于学习过程记录，专业程度不高。

Posted by R on 2023-05-08

前言

目前机械臂开发进度陷入停滞期，很多问题开始暴露出来，这越发的让我感觉学习的不够深入。目前的机械臂通讯都是很浅显的基本应用，真正核心的部分比如运动规划、工作空间、碰撞检测等都没有触及，我顺着开发的方向一路摸索，最终走到了 ros 面前。最近都在捣鼓 ros 和它的环境，可以说进度十分缓慢，先是在公司一台电脑上配置了 Ubuntu 系统，之后经历了几次重装最终确定了ros 的学习方向，跟着教程（古月居入门21篇）学习了以后仍是一头雾水。感觉整个过程中处于一种十分浮躁的状态，总想着实现项目功能，并没有一个清晰的方案路线，于是决定一边学习一边进行记录，尽量把基础概念及工具内化以后再开始结合项目解决问题。

学习 ros 又是一个新的领域，包括 Linux 操作在内，各种指令都是第一次接触，我想尽可能详细的进行学习，文章中更多是对于别的教程的复刻和扩充，希望能够通过这种方式掌握 ros。

基本概念

Ubuntu 系统安装不作过多讲解，这方面的教程十分详细，并且没有太多学习的成分，只需要照搬操作即可。ros 环境的安装非常推荐鱼香的一键安装，简直太省事了，地址以及相关的一些教程资源如下：
鱼香一键安装：https://fishros.org.cn/forum/topic/20/%E5%B0%8F%E9%B1%BC%E7%9A%84%E4%B8%80%E9%94%AE%E5%AE%89%E8%A3%85%E7%B3%BB%E5%88%97?lang=zh-CN
ROS 中文维基：http://wiki.ros.org/cn/ROS/Tutorials
赵虚左 ROS 教程：http://www.autolabor.com.cn/book/ROSTutorials/
古月居 ROS 教程：https://www.guyuehome.com/
创客智造 ROS 教程：https://www.ncnynl.com/
以上教程中最推荐的是赵虚左的教程，我也是打算跟着 b 站上的视频进行学习。

为了满足效率一些地方可能直接用截图或复制粘贴来说明，以下开始介绍 ros 基本概念。

定义及背景

ros，Robot Operating System，就是适用于机器人的开源元操作系统，ros 集成了大量的工具，库，协议，提供类似 OS（操作系统） 所提供的功能，简化对机器人的控制。要知道一个机器人设计包含了太多东西，从硬件到软件，从通讯到算法，几乎涵盖了工业体系的全部，因此没有任何个人、组织甚至公司能够独立完成系统性的机器人研发工作。一种更合适的策略是：让机器人研发者专注于自己擅长的领域，其他模块则直接复用相关领域更专业研发团队的实现，当然自身的研究也可以被他人继续复用。这样可以大大提高机器人的研发效率，尤其是随着机器人硬件越来越丰富，软件库越来越庞大，这种复用性和模块化开发需求也愈发强烈。

在上述背景下，于 2007 年，一家名为柳树车库（Willow Garage）的机器人公司发布了 ROS(机器人操作系统)，ROS 是一套机器人通用软件框架，可以提升功能模块的复用性，并且随着该系统的不断迭代与完善，如今 ROS 已经成为机器人领域的事实标准。ROS 设计者将 ROS 表述为 “ROS = Plumbing + Tools + Capabilities + Ecosystem”，即 ROS 是通讯机制、工具软件包、机器人高层技能以及机器人生态系统的集合体。

设计目标及发展例程

机器人开发的分工思想，实现了不同研发团队间的共享和协作，提升了机器人的研发效率，为了服务“ 分工”，ROS 主要设计目标为代码复用、分布式、松耦合等，其中我认为最能体现 ros 特色的就在于代码复用、分布式、松耦合。

ROS的发行版本（ROS distribution）指 ROS 软件包的版本，其与 Linux 的发行版本（如 Ubuntu）的概念类似。推出 ROS 发行版本的目的在于使开发人员可以使用相对稳定的代码库，直到其准备好将所有内容进行版本升级为止。因此，每个发行版本推出后，ROS 开发者通常仅对这一版本的 bug 进行修复，同时提供少量针对核心软件包的改进。
版本特点: 按照英文字母顺序命名，ROS 目前已经发布了 ROS1 的终极版本: noetic，并建议后期过渡至 ROS2 版本。noetic 版本之前默认使用的是 Python2，noetic 支持 Python3。

ros 第一步

ros 的安装前面有提到，这里就不过多讲述，安装完成后可以通过运行小程序进行测试，启动三个命令行窗口：

  • 命令行1键入:roscore（roscore 是节点和程序的集合，这些节点和程序是基于 ROS 的系统所必需的，于是可以称为 ros 核心 core 服务即名字。必须运行 roscore 才能使 ROS 节点进行通信。刚开始可以把它理解为 ros 的后台，有了它才可以使用 ros。）
  • 命令行2键入:rosrun turtlesim turtlesim_node(此时会弹出图形化界面)
  • 命令行3键入:rosrun turtlesim turtle_teleop_key(在3中可以通过上下左右控制2中乌龟的运动，注意必须是在命令行窗口3中进行键入)

接下来进行所有代码的第一步：输出 hello world。ROS 中涉及的编程语言以 C++ 和 Python 为主，ROS 中的大多数程序两者都可以实现，我根据项目需求以 python 为方案进行学习。

ROS中的程序即便使用不同的编程语言，实现流程也大致类似，以当前HelloWorld程序为例，实现流程大致如下：
1.先创建一个工作空间
2.再创建一个功能包
3.编辑源文件
4.编辑配置文件
5.编译并执行
上述流程中，C++和Python只是在步骤3和步骤4的实现细节上存在差异，其他流程基本一致。接下来可以先跟着指令实现功能，之后会回过头来进行详细的讲解各个文件的作用。

1.创建工作空间并初始化

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mkdir -p 自定义空间名称/src
cd 自定义空间名称
catkin_make

上述命令，首先会创建一个工作空间以及一个 src 子目录，然后再进入工作空间调用 catkin_make 命令编译。

2.进入 src 创建 ros 包并添加依赖

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cd src
catkin_create_pkg 自定义ROS包名 roscpp rospy std_msgs

上述命令，会在工作空间下生成一个功能包，该功能包依赖于 roscpp、rospy 与 std_msgs，其中 roscpp 是使用 C++ 实现的库，而 rospy 则是使用 python 实现的库，std_msgs 是标准消息库，创建 ROS 功能包时，一般都会依赖这三个库实现。
注意：在 ROS 中，虽然实现同一功能时，C++ 和 Python 可以互换，但是具体选择哪种语言，需要视需求而定，因为两种语言相较而言:C++ 运行效率高但是编码效率低，而 Python 则反之，基于二者互补的特点，ROS 设计者分别设计了 roscpp 与 rospy 库，前者旨在成为 ROS 的高性能库，而后者则一般用于对性能无要求的场景，旨在提高开发效率。

3.进入 ros 包添加 scripts 目录并编辑 python 文件

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cd ros包
mkdir scripts

在 scripts 下新建 python 文件（自定义名字），命令台新建指令为 touch xxx.py：

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#! /usr/bin/env python

"""
    Python 版 HelloWorld

"""
import rospy

if __name__ == "__main__":
    rospy.init_node("Hello")
    rospy.loginfo("Hello World!!!!")

4.为 python 文件添加可执行权限

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chmod +x 自定义文件名.py

5.编辑 ros 包下的 CamkeList.txt 文件

注意：是编辑 txt 文件，不是写入控制条指令

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catkin_install_python(PROGRAMS scripts/自定义文件名.py
  DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_BIN_DESTINATION}
)

6.进入工作空间目录并编译

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cd 自定义空间名称
catkin_make

7.进入工作空间目录并执行

启动命令行窗口 1，执行 roscore 开启节点通信。再启动命令行窗口 2，执行下述指令：

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cd 工作空间
source ./devel/setup.bash
rosrun 包名 自定义文件名.py

得到输出结果：hello，world！

架构讲解

到目前为止，我们已经安装了 ROS，运行了 ROS 中内置的小乌龟案例，并且也编写了 ROS 小程序，对 ROS 也有了一个大概的认知，当然这个认知可能还是比较模糊并不清晰的，接下来，我们要从宏观上来介绍一下 ROS 的架构设计。

架构类型

立足不同的角度，对ROS架构的描述也是不同的，一般我们可以从设计者、维护者、系统结构与自身结构4个角度来描述ROS结构（重点放在系统结构和自身结构两方面）:

  • 设计者：
    ROS设计者将ROS表述为“ROS = Plumbing + Tools + Capabilities + Ecosystem”
      * Plumbing: 通讯机制(实现ROS不同节点之间的交互)
  * Tools :工具软件包(ROS中的开发和调试工具)
  * Capabilities :机器人高层技能(ROS中某些功能的集合，比如:导航)
  * Ecosystem:机器人生态系统(跨地域、跨软件与硬件的ROS联盟)
  • 维护者：
    立足维护者的角度: ROS 架构可划分为两大部分
      * main：核心部分，主要由Willow Garage 和一些开发者设计、提供以及维护。它提供了一些分布式计算的基本工具，以及整个ROS的核心部分的程序编写。
  * universe：全球范围的代码，有不同国家的ROS社区组织开发和维护。一种是库的代码，如OpenCV、PCL等；库的上一层是从功能角度提供的代码，如人脸识别，他们调用下层的库；最上层的代码是应用级的代码，让机器人完成某一确定的功能。
  • 系统结构：
    立足系统架构: ROS 可以划分为三层
      * OS 层，也即经典意义的操作系统，ROS 只是元操作系统，需要依托真正意义的操作系统，目前兼容性最好的是 Linux 的 Ubuntu，Mac、Windows 也支持 ROS 的较新版本。
  * 中间层，是 ROS 封装的关于机器人开发的中间件，比如:
      * 基于 TCP/UDP 继续封装的 TCPROS/UDPROS 通信系统
      * 用于进程间通信 Nodelet，为数据的实时性传输提供支持
      * 另外，还提供了大量的机器人开发实现库，如：数据类型定义、坐标变换、运动控制....
  * 应用层，功能包，以及功能包内的节点，比如: master、turtlesim的控制与运动节点...
  • 自身结构：
    就 ROS 自身实现而言: 也可以划分为三层
      * 文件系统：ROS文件系统级指的是在硬盘上面查看的ROS源代码的组织形式
  * 计算图：ROS 分布式系统中不同进程需要进行数据交互，计算图可以以点对点的网络形式表现数据交互过程，计算图中的重要概念: 节点(Node)、消息(message)、通信机制_主题(topic)、通信机制_服务(service)
  * 开源社区：ROS的社区级概念是ROS网络上进行代码发布的一种表现形式

现在处于学习的初级阶段，只是运行了ROS的内置案例，编写了简单的ROS实现，因此，受限于当前进度，不会详细介绍所有设计架构中的所有模块，当前只介绍文件系统与计算图，下一章会介绍 ROS 的通信机制，这也是ROS的核心实现之一。

ROS文件系统

ROS文件系统级指的是在硬盘上ROS源代码的组织形式，其结构大致可以如下图所示：

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WorkSpace --- 自定义的工作空间

    |--- build:编译空间，用于存放CMake和catkin的缓存信息、配置信息和其他中间文件。

    |--- devel:开发空间，用于存放编译后生成的目标文件，包括头文件、动态&静态链接库、可执行文件等。

    |--- src: 源码

        |-- package：功能包(ROS基本单元)包含多个节点、库与配置文件，包名所有字母小写，只能由字母、数字与下划线组成

            |-- CMakeLists.txt 配置编译规则，比如源文件、依赖项、目标文件

            |-- package.xml 包信息，比如:包名、版本、作者、依赖项...(以前版本是 manifest.xml)

            |-- scripts 存储python文件

            |-- src 存储C++源文件

            |-- include 头文件

            |-- msg 消息通信格式文件

            |-- srv 服务通信格式文件

            |-- action 动作格式文件

            |-- launch 可一次性运行多个节点 

            |-- config 配置信息

        |-- CMakeLists.txt: 编译的基本配置

在刚才的基本实现中，我们定义了工作空间，进行了编译，并且在源码中定义了一个功能包和相应的python文件，通过CMakeLists.txt进行编译配置，最后重新编译实现基本功能。这便是 ros 开发过程中一个最最基本的流程，当然要使用 ros 的特性这还远远不够，随着后面功能的相继展开会再行介绍其他目录下的内容，当前我们主要介绍: package.xml 与 CMakeLists.txt 这两个配置文件。

  • package.xml
    该文件定义有关软件包的属性，例如软件包名称，版本号，作者，维护者以及对其他catkin软件包的依赖性。请注意，该概念类似于旧版 rosbuild 构建系统中使用的 manifest.xml 文件。

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        ​<?xml version="1.0"?>
    <!-- 格式: 以前是 1，推荐使用格式 2 -->
    <package format="2">
      <!-- 包名 -->
      <name>demo01_hello_vscode</name>
      <!-- 版本 -->
      <version>0.0.0</version>
      <!-- 描述信息 -->
      <description>The demo01_hello_vscode package</description>

      <!-- One maintainer tag required, multiple allowed, one person per tag -->
      <!-- Example:  -->
      <!-- <maintainer email="jane.doe@example.com">Jane Doe</maintainer> -->
      <!-- 维护人员 -->
      <maintainer email="xuzuo@todo.todo">xuzuo</maintainer>


      <!-- One license tag required, multiple allowed, one license per tag -->
      <!-- Commonly used license strings: -->
      <!--   BSD, MIT, Boost Software License, GPLv2, GPLv3, LGPLv2.1, LGPLv3 -->
      <!-- 许可证信息，ROS核心组件默认 BSD -->
      <license>TODO</license>


      <!-- Url tags are optional, but multiple are allowed, one per tag -->
      <!-- Optional attribute type can be: website, bugtracker, or repository -->
      <!-- Example: -->
      <!-- <url type="website">http://wiki.ros.org/demo01_hello_vscode</url> -->


      <!-- Author tags are optional, multiple are allowed, one per tag -->
      <!-- Authors do not have to be maintainers, but could be -->
      <!-- Example: -->
      <!-- <author email="jane.doe@example.com">Jane Doe</author> -->


      <!-- The *depend tags are used to specify dependencies -->
      <!-- Dependencies can be catkin packages or system dependencies -->
      <!-- Examples: -->
      <!-- Use depend as a shortcut for packages that are both build and exec dependencies -->
      <!--   <depend>roscpp</depend> -->
      <!--   Note that this is equivalent to the following: -->
      <!--   <build_depend>roscpp</build_depend> -->
      <!--   <exec_depend>roscpp</exec_depend> -->
      <!-- Use build_depend for packages you need at compile time: -->
      <!--   <build_depend>message_generation</build_depend> -->
      <!-- Use build_export_depend for packages you need in order to build against this package: -->
      <!--   <build_export_depend>message_generation</build_export_depend> -->
      <!-- Use buildtool_depend for build tool packages: -->
      <!--   <buildtool_depend>catkin</buildtool_depend> -->
      <!-- Use exec_depend for packages you need at runtime: -->
      <!--   <exec_depend>message_runtime</exec_depend> -->
      <!-- Use test_depend for packages you need only for testing: -->
      <!--   <test_depend>gtest</test_depend> -->
      <!-- Use doc_depend for packages you need only for building documentation: -->
      <!--   <doc_depend>doxygen</doc_depend> -->
      <!-- 依赖的构建工具，这是必须的 -->
      <buildtool_depend>catkin</buildtool_depend>

      <!-- 指定构建此软件包所需的软件包 -->
      <build_depend>roscpp</build_depend>
      <build_depend>rospy</build_depend>
      <build_depend>std_msgs</build_depend>

      <!-- 指定根据这个包构建库所需要的包 -->
      <build_export_depend>roscpp</build_export_depend>
      <build_export_depend>rospy</build_export_depend>
      <build_export_depend>std_msgs</build_export_depend>

      <!-- 运行该程序包中的代码所需的程序包 -->  
      <exec_depend>roscpp</exec_depend>
      <exec_depend>rospy</exec_depend>
      <exec_depend>std_msgs</exec_depend>


      <!-- The export tag contains other, unspecified, tags -->
      <export>
        <!-- Other tools can request additional information be placed here -->

      </export>
    </package>

  • CMakelists.txt
    文件CMakeLists.txt是CMake构建系统的输入，用于构建软件包。刚刚的案例中也对其进行了编辑，编译代码时这个文件时必须要进行相关信息修改的，任何兼容CMake的软件包都包含一个或多个CMakeLists.txt文件，这些文件描述了如何构建代码以及将代码安装到何处。

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    ​cmake_minimum_required(VERSION 3.0.2) #所需 cmake 版本
    project(demo01_hello_vscode) #包名称，会被 ${PROJECT_NAME} 的方式调用

    ## Compile as C++11, supported in ROS Kinetic and newer
    # add_compile_options(-std=c++11)

    ## Find catkin macros and libraries
    ## if COMPONENTS list like find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS xyz)
    ## is used, also find other catkin packages
    #设置构建所需要的软件包
    find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS
      roscpp
      rospy
      std_msgs
    )

    ## System dependencies are found with CMake's conventions
    #默认添加系统依赖
    # find_package(Boost REQUIRED COMPONENTS system)


    ## Uncomment this if the package has a setup.py. This macro ensures
    ## modules and global scripts declared therein get installed
    ## See http://ros.org/doc/api/catkin/html/user_guide/setup_dot_py.html
    # 启动 python 模块支持
    # catkin_python_setup()

    ################################################
    ## Declare ROS messages, services and actions ##
    ## 声明 ROS 消息、服务、动作... ##
    ################################################

    ## To declare and build messages, services or actions from within this
    ## package, follow these steps:
    ## * Let MSG_DEP_SET be the set of packages whose message types you use in
    ##   your messages/services/actions (e.g. std_msgs, actionlib_msgs, ...).
    ## * In the file package.xml:
    ##   * add a build_depend tag for "message_generation"
    ##   * add a build_depend and a exec_depend tag for each package in MSG_DEP_SET
    ##   * If MSG_DEP_SET isn't empty the following dependency has been pulled in
    ##     but can be declared for certainty nonetheless:
    ##     * add a exec_depend tag for "message_runtime"
    ## * In this file (CMakeLists.txt):
    ##   * add "message_generation" and every package in MSG_DEP_SET to
    ##     find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS ...)
    ##   * add "message_runtime" and every package in MSG_DEP_SET to
    ##     catkin_package(CATKIN_DEPENDS ...)
    ##   * uncomment the add_*_files sections below as needed
    ##     and list every .msg/.srv/.action file to be processed
    ##   * uncomment the generate_messages entry below
    ##   * add every package in MSG_DEP_SET to generate_messages(DEPENDENCIES ...)

    ## Generate messages in the 'msg' folder
    # add_message_files(
    #   FILES
    #   Message1.msg
    #   Message2.msg
    # )

    ## Generate services in the 'srv' folder
    # add_service_files(
    #   FILES
    #   Service1.srv
    #   Service2.srv
    # )

    ## Generate actions in the 'action' folder
    # add_action_files(
    #   FILES
    #   Action1.action
    #   Action2.action
    # )

    ## Generate added messages and services with any dependencies listed here
    # 生成消息、服务时的依赖包
    # generate_messages(
    #   DEPENDENCIES
    #   std_msgs
    # )

    ################################################
    ## Declare ROS dynamic reconfigure parameters ##
    ## 声明 ROS 动态参数配置 ##
    ################################################

    ## To declare and build dynamic reconfigure parameters within this
    ## package, follow these steps:
    ## * In the file package.xml:
    ##   * add a build_depend and a exec_depend tag for "dynamic_reconfigure"
    ## * In this file (CMakeLists.txt):
    ##   * add "dynamic_reconfigure" to
    ##     find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS ...)
    ##   * uncomment the "generate_dynamic_reconfigure_options" section below
    ##     and list every .cfg file to be processed

    ## Generate dynamic reconfigure parameters in the 'cfg' folder
    # generate_dynamic_reconfigure_options(
    #   cfg/DynReconf1.cfg
    #   cfg/DynReconf2.cfg
    # )

    ###################################
    ## catkin specific configuration ##
    ## catkin 特定配置##
    ###################################
    ## The catkin_package macro generates cmake config files for your package
    ## Declare things to be passed to dependent projects
    ## INCLUDE_DIRS: uncomment this if your package contains header files
    ## LIBRARIES: libraries you create in this project that dependent projects also need
    ## CATKIN_DEPENDS: catkin_packages dependent projects also need
    ## DEPENDS: system dependencies of this project that dependent projects also need
    # 运行时依赖
    catkin_package(
    #  INCLUDE_DIRS include
    #  LIBRARIES demo01_hello_vscode
    #  CATKIN_DEPENDS roscpp rospy std_msgs
    #  DEPENDS system_lib
    )

    ###########
    ## Build ##
    ###########

    ## Specify additional locations of header files
    ## Your package locations should be listed before other locations
    # 添加头文件路径，当前程序包的头文件路径位于其他文件路径之前
    include_directories(
    # include
      ${catkin_INCLUDE_DIRS}
    )

    ## Declare a C++ library
    # 声明 C++ 库
    # add_library(${PROJECT_NAME}
    #   src/${PROJECT_NAME}/demo01_hello_vscode.cpp
    # )

    ## Add cmake target dependencies of the library
    ## as an example, code may need to be generated before libraries
    ## either from message generation or dynamic reconfigure
    # 添加库的 cmake 目标依赖
    # add_dependencies(${PROJECT_NAME} ${${PROJECT_NAME}_EXPORTED_TARGETS} ${catkin_EXPORTED_TARGETS})

    ## Declare a C++ executable
    ## With catkin_make all packages are built within a single CMake context
    ## The recommended prefix ensures that target names across packages don't collide
    # 声明 C++ 可执行文件
    add_executable(Hello_VSCode src/Hello_VSCode.cpp)

    ## Rename C++ executable without prefix
    ## The above recommended prefix causes long target names, the following renames the
    ## target back to the shorter version for ease of user use
    ## e.g. "rosrun someones_pkg node" instead of "rosrun someones_pkg someones_pkg_node"
    #重命名c++可执行文件
    # set_target_properties(${PROJECT_NAME}_node PROPERTIES OUTPUT_NAME node PREFIX "")

    ## Add cmake target dependencies of the executable
    ## same as for the library above
    #添加可执行文件的 cmake 目标依赖
    add_dependencies(Hello_VSCode ${${PROJECT_NAME}_EXPORTED_TARGETS} ${catkin_EXPORTED_TARGETS})

    ## Specify libraries to link a library or executable target against
    #指定库、可执行文件的链接库
    target_link_libraries(Hello_VSCode
      ${catkin_LIBRARIES}
    )

    #############
    ## Install ##
    ## 安装 ##
    #############

    # all install targets should use catkin DESTINATION variables
    # See http://ros.org/doc/api/catkin/html/adv_user_guide/variables.html

    ## Mark executable scripts (Python etc.) for installation
    ## in contrast to setup.py, you can choose the destination
    #设置用于安装的可执行脚本
    catkin_install_python(PROGRAMS
      scripts/Hi.py
      DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_BIN_DESTINATION}
    )

    ## Mark executables for installation
    ## See http://docs.ros.org/melodic/api/catkin/html/howto/format1/building_executables.html
    # install(TARGETS ${PROJECT_NAME}_node
    #   RUNTIME DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_BIN_DESTINATION}
    # )

    ## Mark libraries for installation
    ## See http://docs.ros.org/melodic/api/catkin/html/howto/format1/building_libraries.html
    # install(TARGETS ${PROJECT_NAME}
    #   ARCHIVE DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_LIB_DESTINATION}
    #   LIBRARY DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_LIB_DESTINATION}
    #   RUNTIME DESTINATION ${CATKIN_GLOBAL_BIN_DESTINATION}
    # )

    ## Mark cpp header files for installation
    # install(DIRECTORY include/${PROJECT_NAME}/
    #   DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_INCLUDE_DESTINATION}
    #   FILES_MATCHING PATTERN "*.h"
    #   PATTERN ".svn" EXCLUDE
    # )

    ## Mark other files for installation (e.g. launch and bag files, etc.)
    # install(FILES
    #   # myfile1
    #   # myfile2
    #   DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_SHARE_DESTINATION}
    # )

    #############
    ## Testing ##
    #############

    ## Add gtest based cpp test target and link libraries
    # catkin_add_gtest(${PROJECT_NAME}-test test/test_demo01_hello_vscode.cpp)
    # if(TARGET ${PROJECT_NAME}-test)
    #   target_link_libraries(${PROJECT_NAME}-test ${PROJECT_NAME})
    # endif()

    ## Add folders to be run by python nosetests
    # catkin_add_nosetests(test)

ROS文件系统相关命令

ROS 的文件系统本质上都还是操作系统文件，我们可以使用Linux命令来操作这些文件，不过，在ROS中为了更好的用户体验，ROS专门提供了一些类似于Linux的命令，这些命令较之于Linux原生命令，更为简介、高效。文件操作，无外乎就是增删改查与执行等操作，接下来，我们就从这五个维度，来介绍ROS文件系统的一些常用命令。

  • 增
    catkin_create_pkg 自定义包名 依赖包 === 创建新的ROS功能包
    sudo apt install xxx === 安装 ROS功能包
  • 删
    sudo apt purge xxx ==== 删除某个功能包
  • 查
    rospack list === 列出所有功能包
    rospack find 包名 === 查找某个功能包是否存在，如果存在返回安装路径
    roscd 包名 === 进入某个功能包
    rosls 包名 === 列出某个包下的文件
    apt search xxx === 搜索某个功能包
  • 改
    rosed 包名 文件名 === 修改功能包文件
    需要安装 vim
    比如:rosed turtlesim Color.msg
  • 执行
    • roscore
      roscore === 是 ROS 的系统先决条件节点和程序的集合， 必须运行 roscore 才能使 ROS 节点进行通信。
      roscore 将启动:ros master、ros 参数服务器、rosout 日志节点
    • rosrun
      rosrun 包名 可执行文件名 === 运行指定的ROS节点
      比如:rosrun turtlesim turtlesim_node
    • roslaunch
      roslaunch 包名 launch文件名 === 执行某个包下的 launch 文件

ROS计算图

前面介绍的是ROS文件结构，是磁盘上 ROS 程序的存储结构，是静态的，而 ros 程序运行之后，不同的节点之间是错综复杂的，ROS 中提供了一个实用的工具:rqt_graph。

rqt_graph能够创建一个显示当前系统运行情况的动态图形。ROS 分布式系统中不同进程需要进行数据交互，计算图可以以点对点的网络形式表现数据交互过程。rqt_graph是rqt程序包中的一部分。

  • 计算图安装
    如果前期把所有的功能包（package）都已经安装完成，则直接在终端窗口中输入 rosrun rqt_graph rqt_graph
    如果未安装则在终端（terminal）中输入： 
    1
    2
    $ sudo apt install ros-<distro>-rqt
    $ sudo apt install ros-<distro>-rqt-common-plugins
    请使用你的ROS版本名称（比如:kinetic、melodic、Noetic等）来替换掉。
    例如当前版本是 Noetic,就在终端窗口中输入 
    1
    2
    $ sudo apt install ros-noetic-rqt
    $ sudo apt install ros-noetic-rqt-common-plugins
  • 计算图演示
    接下来以 ROS 内置的小乌龟案例来演示计算图
    首先，按照前面所示，运行案例
    然后，启动新终端，键入: rqt_graph 或 rosrun rqt_graph rqt_graph，可以看到类似下图的网络拓扑图，该图可以显示不同节点之间的关系。

集成开发环境

  • 安装终端
    在 ROS 中，需要频繁的使用到终端，且可能需要同时开启多个窗口，推荐一款较为好用的终端:Terminator。效果如下:

    运行指令sudo apt install terminator安装
    快捷键如下所示：

  • vscode安装
    具体安装过程不作记录，直接进入官网即可下载安装。此处记录常用于开发ros的插件：
    • 先创建工作空间 
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      mkdir -p xxx_ws/src(必须得有 src)
      cd xxx_ws
      catkin_make
    • 启动vscode 
      1
      2
      cd xxx_ws
      code .
    • vscode 中编译 ros
      快捷键 ctrl + shift + B 调用编译，选择:catkin_make:build
      可以点击配置设置为默认，修改.vscode/tasks.json 文件 
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      18
      {
      // 有关 tasks.json 格式的文档，请参见
          // https://go.microsoft.com/fwlink/?LinkId=733558
          "version": "2.0.0",
          "tasks": [
          {
              "label": "catkin_make:debug", //代表提示的描述性信息
              "type": "shell",  //可以选择shell或者process,如果是shell代码是在shell里面运行一个命令，如果是process代表作为一个进程来运行
              "command": "catkin_make",//这个是我们需要运行的命令
              "args": [],//如果需要在命令后面加一些后缀，可以写在这里，比如-DCATKIN_WHITELIST_PACKAGES=“pac1;pac2”
              "group": {"kind":"build","isDefault":true},
              "presentation": {
                  "reveal": "always"//可选always或者silence，代表是否输出信息
              },
              "problemMatcher": "$msCompile"
              }
          ]
      }
    • 创建 ROS 功能包
      选定 src 右击 —-> create catkin package ||设置包名 添加依赖
    • python 实现
      在 功能包 下新建 scripts 文件夹，添加 python 文件，并添加可执行权限 
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      #! /usr/bin/env python
      """
          Python 版本的 HelloVScode，执行在控制台输出 HelloVScode
          实现:
          1.导包
          2.初始化 ROS 节点
          3.日志输出 HelloWorld
      """
      import rospy # 1.导包

      if __name__ == "__main__":

          rospy.init_node("Hello_Vscode_p")  # 2.初始化 ROS 节点
          rospy.loginfo("Hello VScode, 我是 Python ....")  #3.日志输出 HelloWorld
    • 配置 CMakeLists.txt 
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      catkin_install_python(PROGRAMS scripts/自定义文件名.py
      DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_BIN_DESTINATION}
      )
    • 编译执行
      编译: ctrl + shift + B
      执行: 和之前一致，只是可以在 VScode 中添加终端，首先执行:source ./devel/setup.bash
      如果不编译直接执行 python 文件，会抛出异常。
      1.第一行解释器声明，可以使用绝对路径定位到 python3 的安装路径 #! /usr/bin/python3，但是不建议
      2.建议使用 #!/usr/bin/env python 但是会抛出异常 : /usr/bin/env: “python”: 没有那个文件或目录
      3.解决1: #!/usr/bin/env python3 直接使用 python3 但存在问题: 不兼容之前的 ROS 相关 python 实现
      4.解决2: 创建一个链接符号到 python 命令:sudo ln -s /usr/bin/python3 /usr/bin/python
  • launch文件
    • 需求
      一个程序中可能需要启动多个节点，比如:ROS 内置的小乌龟案例，如果要控制乌龟运动，要启动多个窗口，分别启动 roscore、乌龟界面节点、键盘控制节点。如果每次都调用 rosrun 逐一启动，显然效率低下，如何优化?
      launch文件就是为解决这个问题产生的，可以一次性生成大量节点。
    • 实现
      • 选定功能包右击 —-> 添加 launch 文件夹
      • 选定 launch 文件夹右击 —-> 添加 launch 文件
      • 编辑 launch 文件内容 
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        <launch>
        <node pkg="helloworld" type="demo_hello" name="hello" output="screen" />
        <node pkg="turtlesim" type="turtlesim_node" name="t1"/>
        <node pkg="turtlesim" type="turtle_teleop_key" name="key1" />
        </launch>
        其中，node 表示包含的某个节点，pkg 表示功能包，type 表示被运行的节点文件，name 为节点名字，output 为设置日志的输出目标
      • 运行 launch 文件
        roslaunch 包名 launch文件名

结语、补充

文中大量提到的节点便是 ROS 的一大关键所在，相当于一个功能就是一个节点，不同的节点直接会有数据交互，具体的交互方式类似于 mqtt 的订阅发布。上述内容涵盖的点很广，重点需要搞清楚的是基本的架构以及相关命令操作，知道哪个文件夹放着什么文件，怎样操作这些文件即可。而节点等问题后续会开始正式的接触，这里只是相当于一个引子。## 前言

目前机械臂开发进度陷入停滞期，很多问题开始暴露出来，这越发的让我感觉学习的不够深入。目前的机械臂通讯都是很浅显的基本应用，真正核心的部分比如运动规划、工作空间、碰撞检测等都没有触及，我顺着开发的方向一路摸索，最终走到了 ros 面前。最近都在捣鼓 ros 和它的环境，可以说进度十分缓慢，先是在公司一台电脑上配置了 Ubuntu 系统，之后经历了几次重装最终确定了ros 的学习方向，跟着教程（古月居入门21篇）学习了以后仍是一头雾水。感觉整个过程中处于一种十分浮躁的状态，总想着实现项目功能，并没有一个清晰的方案路线，于是决定一边学习一边进行记录，尽量把基础概念及工具内化以后再开始结合项目解决问题。

学习 ros 又是一个新的领域，包括 Linux 操作在内，各种指令都是第一次接触，我想尽可能详细的进行学习，文章中更多是对于别的教程的复刻和扩充，希望能够通过这种方式掌握 ros。

基本概念

Ubuntu 系统安装不作过多讲解，这方面的教程十分详细，并且没有太多学习的成分，只需要照搬操作即可。ros 环境的安装非常推荐鱼香的一键安装，简直太省事了，地址以及相关的一些教程资源如下：
鱼香一键安装：https://fishros.org.cn/forum/topic/20/%E5%B0%8F%E9%B1%BC%E7%9A%84%E4%B8%80%E9%94%AE%E5%AE%89%E8%A3%85%E7%B3%BB%E5%88%97?lang=zh-CN
ROS 中文维基：http://wiki.ros.org/cn/ROS/Tutorials
赵虚左 ROS 教程：http://www.autolabor.com.cn/book/ROSTutorials/
古月居 ROS 教程：https://www.guyuehome.com/
创客智造 ROS 教程：https://www.ncnynl.com/
以上教程中最推荐的是赵虚左的教程，我也是打算跟着 b 站上的视频进行学习。

为了满足效率一些地方可能直接用截图或复制粘贴来说明，以下开始介绍 ros 基本概念。

定义及背景

ros，Robot Operating System，就是适用于机器人的开源元操作系统，ros 集成了大量的工具，库，协议，提供类似 OS（操作系统） 所提供的功能，简化对机器人的控制。要知道一个机器人设计包含了太多东西，从硬件到软件，从通讯到算法，几乎涵盖了工业体系的全部，因此没有任何个人、组织甚至公司能够独立完成系统性的机器人研发工作。一种更合适的策略是：让机器人研发者专注于自己擅长的领域，其他模块则直接复用相关领域更专业研发团队的实现，当然自身的研究也可以被他人继续复用。这样可以大大提高机器人的研发效率，尤其是随着机器人硬件越来越丰富，软件库越来越庞大，这种复用性和模块化开发需求也愈发强烈。

在上述背景下，于 2007 年，一家名为柳树车库（Willow Garage）的机器人公司发布了 ROS(机器人操作系统)，ROS 是一套机器人通用软件框架，可以提升功能模块的复用性，并且随着该系统的不断迭代与完善，如今 ROS 已经成为机器人领域的事实标准。ROS 设计者将 ROS 表述为 “ROS = Plumbing + Tools + Capabilities + Ecosystem”，即 ROS 是通讯机制、工具软件包、机器人高层技能以及机器人生态系统的集合体。

设计目标及发展例程

机器人开发的分工思想，实现了不同研发团队间的共享和协作，提升了机器人的研发效率，为了服务“ 分工”，ROS 主要设计目标为代码复用、分布式、松耦合等，其中我认为最能体现 ros 特色的就在于代码复用、分布式、松耦合。

ROS的发行版本（ROS distribution）指 ROS 软件包的版本，其与 Linux 的发行版本（如 Ubuntu）的概念类似。推出 ROS 发行版本的目的在于使开发人员可以使用相对稳定的代码库，直到其准备好将所有内容进行版本升级为止。因此，每个发行版本推出后，ROS 开发者通常仅对这一版本的 bug 进行修复，同时提供少量针对核心软件包的改进。
版本特点: 按照英文字母顺序命名，ROS 目前已经发布了 ROS1 的终极版本: noetic，并建议后期过渡至 ROS2 版本。noetic 版本之前默认使用的是 Python2，noetic 支持 Python3。

ros 第一步

ros 的安装前面有提到，这里就不过多讲述，安装完成后可以通过运行小程序进行测试，启动三个命令行窗口：

  • 命令行1键入:roscore（roscore 是节点和程序的集合，这些节点和程序是基于 ROS 的系统所必需的，于是可以称为 ros 核心 core 服务即名字。必须运行 roscore 才能使 ROS 节点进行通信。刚开始可以把它理解为 ros 的后台，有了它才可以使用 ros。）
  • 命令行2键入:rosrun turtlesim turtlesim_node(此时会弹出图形化界面)
  • 命令行3键入:rosrun turtlesim turtle_teleop_key(在3中可以通过上下左右控制2中乌龟的运动，注意必须是在命令行窗口3中进行键入)

接下来进行所有代码的第一步：输出 hello world。ROS 中涉及的编程语言以 C++ 和 Python 为主，ROS 中的大多数程序两者都可以实现，我根据项目需求以 python 为方案进行学习。

ROS中的程序即便使用不同的编程语言，实现流程也大致类似，以当前HelloWorld程序为例，实现流程大致如下：
1.先创建一个工作空间
2.再创建一个功能包
3.编辑源文件
4.编辑配置文件
5.编译并执行
上述流程中，C++和Python只是在步骤3和步骤4的实现细节上存在差异，其他流程基本一致。接下来可以先跟着指令实现功能，之后会回过头来进行详细的讲解各个文件的作用。

1.创建工作空间并初始化

1
2
3
mkdir -p 自定义空间名称/src
cd 自定义空间名称
catkin_make

上述命令，首先会创建一个工作空间以及一个 src 子目录，然后再进入工作空间调用 catkin_make 命令编译。

2.进入 src 创建 ros 包并添加依赖

1
2
cd src
catkin_create_pkg 自定义ROS包名 roscpp rospy std_msgs

上述命令，会在工作空间下生成一个功能包，该功能包依赖于 roscpp、rospy 与 std_msgs，其中 roscpp 是使用 C++ 实现的库，而 rospy 则是使用 python 实现的库，std_msgs 是标准消息库，创建 ROS 功能包时，一般都会依赖这三个库实现。
注意：在 ROS 中，虽然实现同一功能时，C++ 和 Python 可以互换，但是具体选择哪种语言，需要视需求而定，因为两种语言相较而言:C++ 运行效率高但是编码效率低，而 Python 则反之，基于二者互补的特点，ROS 设计者分别设计了 roscpp 与 rospy 库，前者旨在成为 ROS 的高性能库，而后者则一般用于对性能无要求的场景，旨在提高开发效率。

3.进入 ros 包添加 scripts 目录并编辑 python 文件

1
2
cd ros包
mkdir scripts

在 scripts 下新建 python 文件（自定义名字），命令台新建指令为 touch xxx.py：

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#! /usr/bin/env python

"""
    Python 版 HelloWorld

"""
import rospy

if __name__ == "__main__":
    rospy.init_node("Hello")
    rospy.loginfo("Hello World!!!!")

4.为 python 文件添加可执行权限

1
chmod +x 自定义文件名.py

5.编辑 ros 包下的 CamkeList.txt 文件

注意：是编辑 txt 文件，不是写入控制条指令

1
2
3
catkin_install_python(PROGRAMS scripts/自定义文件名.py
  DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_BIN_DESTINATION}
)

6.进入工作空间目录并编译

1
2
cd 自定义空间名称
catkin_make

7.进入工作空间目录并执行

启动命令行窗口 1，执行 roscore 开启节点通信。再启动命令行窗口 2，执行下述指令：

1
2
3
cd 工作空间
source ./devel/setup.bash
rosrun 包名 自定义文件名.py

得到输出结果：hello，world！

架构讲解

到目前为止，我们已经安装了 ROS，运行了 ROS 中内置的小乌龟案例，并且也编写了 ROS 小程序，对 ROS 也有了一个大概的认知，当然这个认知可能还是比较模糊并不清晰的，接下来，我们要从宏观上来介绍一下 ROS 的架构设计。

架构类型

立足不同的角度，对ROS架构的描述也是不同的，一般我们可以从设计者、维护者、系统结构与自身结构4个角度来描述ROS结构（重点放在系统结构和自身结构两方面）:

  • 设计者：
    ROS设计者将ROS表述为“ROS = Plumbing + Tools + Capabilities + Ecosystem”
      * Plumbing: 通讯机制(实现ROS不同节点之间的交互)
  * Tools :工具软件包(ROS中的开发和调试工具)
  * Capabilities :机器人高层技能(ROS中某些功能的集合，比如:导航)
  * Ecosystem:机器人生态系统(跨地域、跨软件与硬件的ROS联盟)
  • 维护者：
    立足维护者的角度: ROS 架构可划分为两大部分
      * main：核心部分，主要由Willow Garage 和一些开发者设计、提供以及维护。它提供了一些分布式计算的基本工具，以及整个ROS的核心部分的程序编写。
  * universe：全球范围的代码，有不同国家的ROS社区组织开发和维护。一种是库的代码，如OpenCV、PCL等；库的上一层是从功能角度提供的代码，如人脸识别，他们调用下层的库；最上层的代码是应用级的代码，让机器人完成某一确定的功能。
  • 系统结构：
    立足系统架构: ROS 可以划分为三层
      * OS 层，也即经典意义的操作系统，ROS 只是元操作系统，需要依托真正意义的操作系统，目前兼容性最好的是 Linux 的 Ubuntu，Mac、Windows 也支持 ROS 的较新版本。
  * 中间层，是 ROS 封装的关于机器人开发的中间件，比如:
      * 基于 TCP/UDP 继续封装的 TCPROS/UDPROS 通信系统
      * 用于进程间通信 Nodelet，为数据的实时性传输提供支持
      * 另外，还提供了大量的机器人开发实现库，如：数据类型定义、坐标变换、运动控制....
  * 应用层，功能包，以及功能包内的节点，比如: master、turtlesim的控制与运动节点...
  • 自身结构：
    就 ROS 自身实现而言: 也可以划分为三层
      * 文件系统：ROS文件系统级指的是在硬盘上面查看的ROS源代码的组织形式
  * 计算图：ROS 分布式系统中不同进程需要进行数据交互，计算图可以以点对点的网络形式表现数据交互过程，计算图中的重要概念: 节点(Node)、消息(message)、通信机制_主题(topic)、通信机制_服务(service)
  * 开源社区：ROS的社区级概念是ROS网络上进行代码发布的一种表现形式

现在处于学习的初级阶段，只是运行了ROS的内置案例，编写了简单的ROS实现，因此，受限于当前进度，不会详细介绍所有设计架构中的所有模块，当前只介绍文件系统与计算图，下一章会介绍 ROS 的通信机制，这也是ROS的核心实现之一。

ROS文件系统

ROS文件系统级指的是在硬盘上ROS源代码的组织形式，其结构大致可以如下图所示：

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WorkSpace --- 自定义的工作空间

    |--- build:编译空间，用于存放CMake和catkin的缓存信息、配置信息和其他中间文件。

    |--- devel:开发空间，用于存放编译后生成的目标文件，包括头文件、动态&静态链接库、可执行文件等。

    |--- src: 源码

        |-- package：功能包(ROS基本单元)包含多个节点、库与配置文件，包名所有字母小写，只能由字母、数字与下划线组成

            |-- CMakeLists.txt 配置编译规则，比如源文件、依赖项、目标文件

            |-- package.xml 包信息，比如:包名、版本、作者、依赖项...(以前版本是 manifest.xml)

            |-- scripts 存储python文件

            |-- src 存储C++源文件

            |-- include 头文件

            |-- msg 消息通信格式文件

            |-- srv 服务通信格式文件

            |-- action 动作格式文件

            |-- launch 可一次性运行多个节点 

            |-- config 配置信息

        |-- CMakeLists.txt: 编译的基本配置

在刚才的基本实现中，我们定义了工作空间，进行了编译，并且在源码中定义了一个功能包和相应的python文件，通过CMakeLists.txt进行编译配置，最后重新编译实现基本功能。这便是 ros 开发过程中一个最最基本的流程，当然要使用 ros 的特性这还远远不够，随着后面功能的相继展开会再行介绍其他目录下的内容，当前我们主要介绍: package.xml 与 CMakeLists.txt 这两个配置文件。

  • package.xml
    该文件定义有关软件包的属性，例如软件包名称，版本号，作者，维护者以及对其他catkin软件包的依赖性。请注意，该概念类似于旧版 rosbuild 构建系统中使用的 manifest.xml 文件。

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        ​<?xml version="1.0"?>
    <!-- 格式: 以前是 1，推荐使用格式 2 -->
    <package format="2">
      <!-- 包名 -->
      <name>demo01_hello_vscode</name>
      <!-- 版本 -->
      <version>0.0.0</version>
      <!-- 描述信息 -->
      <description>The demo01_hello_vscode package</description>

      <!-- One maintainer tag required, multiple allowed, one person per tag -->
      <!-- Example:  -->
      <!-- <maintainer email="jane.doe@example.com">Jane Doe</maintainer> -->
      <!-- 维护人员 -->
      <maintainer email="xuzuo@todo.todo">xuzuo</maintainer>


      <!-- One license tag required, multiple allowed, one license per tag -->
      <!-- Commonly used license strings: -->
      <!--   BSD, MIT, Boost Software License, GPLv2, GPLv3, LGPLv2.1, LGPLv3 -->
      <!-- 许可证信息，ROS核心组件默认 BSD -->
      <license>TODO</license>


      <!-- Url tags are optional, but multiple are allowed, one per tag -->
      <!-- Optional attribute type can be: website, bugtracker, or repository -->
      <!-- Example: -->
      <!-- <url type="website">http://wiki.ros.org/demo01_hello_vscode</url> -->


      <!-- Author tags are optional, multiple are allowed, one per tag -->
      <!-- Authors do not have to be maintainers, but could be -->
      <!-- Example: -->
      <!-- <author email="jane.doe@example.com">Jane Doe</author> -->


      <!-- The *depend tags are used to specify dependencies -->
      <!-- Dependencies can be catkin packages or system dependencies -->
      <!-- Examples: -->
      <!-- Use depend as a shortcut for packages that are both build and exec dependencies -->
      <!--   <depend>roscpp</depend> -->
      <!--   Note that this is equivalent to the following: -->
      <!--   <build_depend>roscpp</build_depend> -->
      <!--   <exec_depend>roscpp</exec_depend> -->
      <!-- Use build_depend for packages you need at compile time: -->
      <!--   <build_depend>message_generation</build_depend> -->
      <!-- Use build_export_depend for packages you need in order to build against this package: -->
      <!--   <build_export_depend>message_generation</build_export_depend> -->
      <!-- Use buildtool_depend for build tool packages: -->
      <!--   <buildtool_depend>catkin</buildtool_depend> -->
      <!-- Use exec_depend for packages you need at runtime: -->
      <!--   <exec_depend>message_runtime</exec_depend> -->
      <!-- Use test_depend for packages you need only for testing: -->
      <!--   <test_depend>gtest</test_depend> -->
      <!-- Use doc_depend for packages you need only for building documentation: -->
      <!--   <doc_depend>doxygen</doc_depend> -->
      <!-- 依赖的构建工具，这是必须的 -->
      <buildtool_depend>catkin</buildtool_depend>

      <!-- 指定构建此软件包所需的软件包 -->
      <build_depend>roscpp</build_depend>
      <build_depend>rospy</build_depend>
      <build_depend>std_msgs</build_depend>

      <!-- 指定根据这个包构建库所需要的包 -->
      <build_export_depend>roscpp</build_export_depend>
      <build_export_depend>rospy</build_export_depend>
      <build_export_depend>std_msgs</build_export_depend>

      <!-- 运行该程序包中的代码所需的程序包 -->  
      <exec_depend>roscpp</exec_depend>
      <exec_depend>rospy</exec_depend>
      <exec_depend>std_msgs</exec_depend>


      <!-- The export tag contains other, unspecified, tags -->
      <export>
        <!-- Other tools can request additional information be placed here -->

      </export>
    </package>

  • CMakelists.txt
    文件CMakeLists.txt是CMake构建系统的输入，用于构建软件包。刚刚的案例中也对其进行了编辑，编译代码时这个文件时必须要进行相关信息修改的，任何兼容CMake的软件包都包含一个或多个CMakeLists.txt文件，这些文件描述了如何构建代码以及将代码安装到何处。

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    ​cmake_minimum_required(VERSION 3.0.2) #所需 cmake 版本
    project(demo01_hello_vscode) #包名称，会被 ${PROJECT_NAME} 的方式调用

    ## Compile as C++11, supported in ROS Kinetic and newer
    # add_compile_options(-std=c++11)

    ## Find catkin macros and libraries
    ## if COMPONENTS list like find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS xyz)
    ## is used, also find other catkin packages
    #设置构建所需要的软件包
    find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS
      roscpp
      rospy
      std_msgs
    )

    ## System dependencies are found with CMake's conventions
    #默认添加系统依赖
    # find_package(Boost REQUIRED COMPONENTS system)


    ## Uncomment this if the package has a setup.py. This macro ensures
    ## modules and global scripts declared therein get installed
    ## See http://ros.org/doc/api/catkin/html/user_guide/setup_dot_py.html
    # 启动 python 模块支持
    # catkin_python_setup()

    ################################################
    ## Declare ROS messages, services and actions ##
    ## 声明 ROS 消息、服务、动作... ##
    ################################################

    ## To declare and build messages, services or actions from within this
    ## package, follow these steps:
    ## * Let MSG_DEP_SET be the set of packages whose message types you use in
    ##   your messages/services/actions (e.g. std_msgs, actionlib_msgs, ...).
    ## * In the file package.xml:
    ##   * add a build_depend tag for "message_generation"
    ##   * add a build_depend and a exec_depend tag for each package in MSG_DEP_SET
    ##   * If MSG_DEP_SET isn't empty the following dependency has been pulled in
    ##     but can be declared for certainty nonetheless:
    ##     * add a exec_depend tag for "message_runtime"
    ## * In this file (CMakeLists.txt):
    ##   * add "message_generation" and every package in MSG_DEP_SET to
    ##     find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS ...)
    ##   * add "message_runtime" and every package in MSG_DEP_SET to
    ##     catkin_package(CATKIN_DEPENDS ...)
    ##   * uncomment the add_*_files sections below as needed
    ##     and list every .msg/.srv/.action file to be processed
    ##   * uncomment the generate_messages entry below
    ##   * add every package in MSG_DEP_SET to generate_messages(DEPENDENCIES ...)

    ## Generate messages in the 'msg' folder
    # add_message_files(
    #   FILES
    #   Message1.msg
    #   Message2.msg
    # )

    ## Generate services in the 'srv' folder
    # add_service_files(
    #   FILES
    #   Service1.srv
    #   Service2.srv
    # )

    ## Generate actions in the 'action' folder
    # add_action_files(
    #   FILES
    #   Action1.action
    #   Action2.action
    # )

    ## Generate added messages and services with any dependencies listed here
    # 生成消息、服务时的依赖包
    # generate_messages(
    #   DEPENDENCIES
    #   std_msgs
    # )

    ################################################
    ## Declare ROS dynamic reconfigure parameters ##
    ## 声明 ROS 动态参数配置 ##
    ################################################

    ## To declare and build dynamic reconfigure parameters within this
    ## package, follow these steps:
    ## * In the file package.xml:
    ##   * add a build_depend and a exec_depend tag for "dynamic_reconfigure"
    ## * In this file (CMakeLists.txt):
    ##   * add "dynamic_reconfigure" to
    ##     find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS ...)
    ##   * uncomment the "generate_dynamic_reconfigure_options" section below
    ##     and list every .cfg file to be processed

    ## Generate dynamic reconfigure parameters in the 'cfg' folder
    # generate_dynamic_reconfigure_options(
    #   cfg/DynReconf1.cfg
    #   cfg/DynReconf2.cfg
    # )

    ###################################
    ## catkin specific configuration ##
    ## catkin 特定配置##
    ###################################
    ## The catkin_package macro generates cmake config files for your package
    ## Declare things to be passed to dependent projects
    ## INCLUDE_DIRS: uncomment this if your package contains header files
    ## LIBRARIES: libraries you create in this project that dependent projects also need
    ## CATKIN_DEPENDS: catkin_packages dependent projects also need
    ## DEPENDS: system dependencies of this project that dependent projects also need
    # 运行时依赖
    catkin_package(
    #  INCLUDE_DIRS include
    #  LIBRARIES demo01_hello_vscode
    #  CATKIN_DEPENDS roscpp rospy std_msgs
    #  DEPENDS system_lib
    )

    ###########
    ## Build ##
    ###########

    ## Specify additional locations of header files
    ## Your package locations should be listed before other locations
    # 添加头文件路径，当前程序包的头文件路径位于其他文件路径之前
    include_directories(
    # include
      ${catkin_INCLUDE_DIRS}
    )

    ## Declare a C++ library
    # 声明 C++ 库
    # add_library(${PROJECT_NAME}
    #   src/${PROJECT_NAME}/demo01_hello_vscode.cpp
    # )

    ## Add cmake target dependencies of the library
    ## as an example, code may need to be generated before libraries
    ## either from message generation or dynamic reconfigure
    # 添加库的 cmake 目标依赖
    # add_dependencies(${PROJECT_NAME} ${${PROJECT_NAME}_EXPORTED_TARGETS} ${catkin_EXPORTED_TARGETS})

    ## Declare a C++ executable
    ## With catkin_make all packages are built within a single CMake context
    ## The recommended prefix ensures that target names across packages don't collide
    # 声明 C++ 可执行文件
    add_executable(Hello_VSCode src/Hello_VSCode.cpp)

    ## Rename C++ executable without prefix
    ## The above recommended prefix causes long target names, the following renames the
    ## target back to the shorter version for ease of user use
    ## e.g. "rosrun someones_pkg node" instead of "rosrun someones_pkg someones_pkg_node"
    #重命名c++可执行文件
    # set_target_properties(${PROJECT_NAME}_node PROPERTIES OUTPUT_NAME node PREFIX "")

    ## Add cmake target dependencies of the executable
    ## same as for the library above
    #添加可执行文件的 cmake 目标依赖
    add_dependencies(Hello_VSCode ${${PROJECT_NAME}_EXPORTED_TARGETS} ${catkin_EXPORTED_TARGETS})

    ## Specify libraries to link a library or executable target against
    #指定库、可执行文件的链接库
    target_link_libraries(Hello_VSCode
      ${catkin_LIBRARIES}
    )

    #############
    ## Install ##
    ## 安装 ##
    #############

    # all install targets should use catkin DESTINATION variables
    # See http://ros.org/doc/api/catkin/html/adv_user_guide/variables.html

    ## Mark executable scripts (Python etc.) for installation
    ## in contrast to setup.py, you can choose the destination
    #设置用于安装的可执行脚本
    catkin_install_python(PROGRAMS
      scripts/Hi.py
      DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_BIN_DESTINATION}
    )

    ## Mark executables for installation
    ## See http://docs.ros.org/melodic/api/catkin/html/howto/format1/building_executables.html
    # install(TARGETS ${PROJECT_NAME}_node
    #   RUNTIME DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_BIN_DESTINATION}
    # )

    ## Mark libraries for installation
    ## See http://docs.ros.org/melodic/api/catkin/html/howto/format1/building_libraries.html
    # install(TARGETS ${PROJECT_NAME}
    #   ARCHIVE DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_LIB_DESTINATION}
    #   LIBRARY DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_LIB_DESTINATION}
    #   RUNTIME DESTINATION ${CATKIN_GLOBAL_BIN_DESTINATION}
    # )

    ## Mark cpp header files for installation
    # install(DIRECTORY include/${PROJECT_NAME}/
    #   DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_INCLUDE_DESTINATION}
    #   FILES_MATCHING PATTERN "*.h"
    #   PATTERN ".svn" EXCLUDE
    # )

    ## Mark other files for installation (e.g. launch and bag files, etc.)
    # install(FILES
    #   # myfile1
    #   # myfile2
    #   DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_SHARE_DESTINATION}
    # )

    #############
    ## Testing ##
    #############

    ## Add gtest based cpp test target and link libraries
    # catkin_add_gtest(${PROJECT_NAME}-test test/test_demo01_hello_vscode.cpp)
    # if(TARGET ${PROJECT_NAME}-test)
    #   target_link_libraries(${PROJECT_NAME}-test ${PROJECT_NAME})
    # endif()

    ## Add folders to be run by python nosetests
    # catkin_add_nosetests(test)

ROS文件系统相关命令

ROS 的文件系统本质上都还是操作系统文件，我们可以使用Linux命令来操作这些文件，不过，在ROS中为了更好的用户体验，ROS专门提供了一些类似于Linux的命令，这些命令较之于Linux原生命令，更为简介、高效。文件操作，无外乎就是增删改查与执行等操作，接下来，我们就从这五个维度，来介绍ROS文件系统的一些常用命令。

  • 增
    catkin_create_pkg 自定义包名 依赖包 === 创建新的ROS功能包
    sudo apt install xxx === 安装 ROS功能包
  • 删
    sudo apt purge xxx ==== 删除某个功能包
  • 查
    rospack list === 列出所有功能包
    rospack find 包名 === 查找某个功能包是否存在，如果存在返回安装路径
    roscd 包名 === 进入某个功能包
    rosls 包名 === 列出某个包下的文件
    apt search xxx === 搜索某个功能包
  • 改
    rosed 包名 文件名 === 修改功能包文件
    需要安装 vim
    比如:rosed turtlesim Color.msg
  • 执行
    • roscore
      roscore === 是 ROS 的系统先决条件节点和程序的集合， 必须运行 roscore 才能使 ROS 节点进行通信。
      roscore 将启动:ros master、ros 参数服务器、rosout 日志节点
    • rosrun
      rosrun 包名 可执行文件名 === 运行指定的ROS节点
      比如:rosrun turtlesim turtlesim_node
    • roslaunch
      roslaunch 包名 launch文件名 === 执行某个包下的 launch 文件

ROS计算图

前面介绍的是ROS文件结构，是磁盘上 ROS 程序的存储结构，是静态的，而 ros 程序运行之后，不同的节点之间是错综复杂的，ROS 中提供了一个实用的工具:rqt_graph。

rqt_graph能够创建一个显示当前系统运行情况的动态图形。ROS 分布式系统中不同进程需要进行数据交互，计算图可以以点对点的网络形式表现数据交互过程。rqt_graph是rqt程序包中的一部分。

  • 计算图安装
    如果前期把所有的功能包（package）都已经安装完成，则直接在终端窗口中输入 rosrun rqt_graph rqt_graph
    如果未安装则在终端（terminal）中输入： 
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    $ sudo apt install ros-<distro>-rqt
    $ sudo apt install ros-<distro>-rqt-common-plugins
    请使用你的ROS版本名称（比如:kinetic、melodic、Noetic等）来替换掉。
    例如当前版本是 Noetic,就在终端窗口中输入 
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    $ sudo apt install ros-noetic-rqt
    $ sudo apt install ros-noetic-rqt-common-plugins
  • 计算图演示
    接下来以 ROS 内置的小乌龟案例来演示计算图
    首先，按照前面所示，运行案例
    然后，启动新终端，键入: rqt_graph 或 rosrun rqt_graph rqt_graph，可以看到类似下图的网络拓扑图，该图可以显示不同节点之间的关系。

集成开发环境

  • 安装终端
    在 ROS 中，需要频繁的使用到终端，且可能需要同时开启多个窗口，推荐一款较为好用的终端:Terminator。效果如下:

    运行指令sudo apt install terminator安装
    快捷键如下所示：

  • vscode安装
    具体安装过程不作记录，直接进入官网即可下载安装。此处记录常用于开发ros的插件：
    • 先创建工作空间 
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      mkdir -p xxx_ws/src(必须得有 src)
      cd xxx_ws
      catkin_make
    • 启动vscode 
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      cd xxx_ws
      code .
    • vscode 中编译 ros
      快捷键 ctrl + shift + B 调用编译，选择:catkin_make:build
      可以点击配置设置为默认，修改.vscode/tasks.json 文件 
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      {
      // 有关 tasks.json 格式的文档，请参见
          // https://go.microsoft.com/fwlink/?LinkId=733558
          "version": "2.0.0",
          "tasks": [
          {
              "label": "catkin_make:debug", //代表提示的描述性信息
              "type": "shell",  //可以选择shell或者process,如果是shell代码是在shell里面运行一个命令，如果是process代表作为一个进程来运行
              "command": "catkin_make",//这个是我们需要运行的命令
              "args": [],//如果需要在命令后面加一些后缀，可以写在这里，比如-DCATKIN_WHITELIST_PACKAGES=“pac1;pac2”
              "group": {"kind":"build","isDefault":true},
              "presentation": {
                  "reveal": "always"//可选always或者silence，代表是否输出信息
              },
              "problemMatcher": "$msCompile"
              }
          ]
      }
    • 创建 ROS 功能包
      选定 src 右击 —-> create catkin package ||设置包名 添加依赖
    • python 实现
      在 功能包 下新建 scripts 文件夹，添加 python 文件，并添加可执行权限 
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      #! /usr/bin/env python
      """
          Python 版本的 HelloVScode，执行在控制台输出 HelloVScode
          实现:
          1.导包
          2.初始化 ROS 节点
          3.日志输出 HelloWorld
      """
      import rospy # 1.导包

      if __name__ == "__main__":

          rospy.init_node("Hello_Vscode_p")  # 2.初始化 ROS 节点
          rospy.loginfo("Hello VScode, 我是 Python ....")  #3.日志输出 HelloWorld
    • 配置 CMakeLists.txt 
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      catkin_install_python(PROGRAMS scripts/自定义文件名.py
      DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_BIN_DESTINATION}
      )
    • 编译执行
      编译: ctrl + shift + B
      执行: 和之前一致，只是可以在 VScode 中添加终端，首先执行:source ./devel/setup.bash
      如果不编译直接执行 python 文件，会抛出异常。
      1.第一行解释器声明，可以使用绝对路径定位到 python3 的安装路径 #! /usr/bin/python3，但是不建议
      2.建议使用 #!/usr/bin/env python 但是会抛出异常 : /usr/bin/env: “python”: 没有那个文件或目录
      3.解决1: #!/usr/bin/env python3 直接使用 python3 但存在问题: 不兼容之前的 ROS 相关 python 实现
      4.解决2: 创建一个链接符号到 python 命令:sudo ln -s /usr/bin/python3 /usr/bin/python

  • launch文件

    • 需求
      一个程序中可能需要启动多个节点，比如:ROS 内置的小乌龟案例，如果要控制乌龟运动，要启动多个窗口，分别启动 roscore、乌龟界面节点、键盘控制节点。如果每次都调用 rosrun 逐一启动，显然效率低下，如何优化?
      launch文件就是为解决这个问题产生的，可以一次性生成大量节点。

    • 实现

      • 选定功能包右击 —-> 添加 launch 文件夹
      • 选定 launch 文件夹右击 —-> 添加 launch 文件

      • 编辑 launch 文件内容

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        <launch>
        <node pkg="helloworld" type="demo_hello" name="hello" output="screen" />
        <node pkg="turtlesim" type="turtlesim_node" name="t1"/>
        <node pkg="turtlesim" type="turtle_teleop_key" name="key1" />
        </launch>

        其中，node 表示包含的某个节点，pkg 表示功能包，type 表示被运行的节点文件，name 为节点名字，output 为设置日志的输出目标

      • 运行 launch 文件
        roslaunch 包名 launch文件名

结语、补充

文中大量提到的节点便是 ROS 的一大关键所在，相当于一个功能就是一个节点，不同的节点直接会有数据交互，具体的交互方式类似于 mqtt 的订阅发布。上述内容涵盖的点很广，重点需要搞清楚的是基本的架构以及相关命令操作，知道哪个文件夹放着什么文件，怎样操作这些文件即可。而节点等问题后续会开始正式的接触，这里只是相当于一个引子。

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linux ros