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ROS操作系统入门-1

最近更新：2022-07-18 | 字数总计：2.3k | 阅读估时：10分钟 | 阅读量：次

ROS简介
ROS误解
ROS文件系统

入门脉络主要由几个部分组成，包括：ros简介、ros文件系统、ros通信架构、常用工具、roscpp和rospy。

ROS简介

机器人操作系统（Robot operating system ,ROS）是一个应用于机器人上的基础框架，它把原本松散的零部件耦合在一起，提供通信的架构，近似上ROS是一个中间件。

ros上手简单适合研究，但是商用缺点明显。主要是实时通信性能有限，系统稳定差。

ROS误解

ROS不是一门编程语言，主要代码由C++编写，客户端可以使用python\java等多种语言编写

ROS不仅仅是一个函数库，除了客户端库，还包含中心服务器.

ROS文件系统

认识ROS首先要知道ROS工程的组织架构，了解各个文件的功能和作用，才能高效的开发和编程。

这里面包含catkin编译系统，catkin工作空间结构，package软件包结构，重要的cmakelists.txt、package.xml文件内容。

catkin编译系统

catkin编译系统底层仍然是linux gcc/g++ 只是为了提高编译效率、简化工程管理衍生的，如果有比catkin编译效率更好的软件出现，catkin一样会被替代。
一个catkin软件包必须包含两个文件：package.xml（package描述信息），CMakeList.txt(构建package所需的cmake文件列表)。

catkin工作原理：

当在工作空间（必须切换到workspace_base否则编译不会成功）敲下catkin_make指令后，编译器首先在当前工作空间./src下递归查找每一个ROS package.
package 中会有package.xml和CMakeList.txt文件，catkin编译系统依据CMakeList.txt文件，从而生成makefiles(放在./build/).
然后make build目录的makefiles文件，编译链接生成可执行文件放在./devel.

所以说catkin就是将cmake和make指令做了一个封装，从而完成整个编译过程的工具。

catkin工作空间

catkin的工作空间结构，它包含了src、build、devel 三个文件夹主要作用如下：

src/: ROS的catkin软件包（源代码包）

build/: catkin（CMake）的缓存信息和中间文件

devel/: 生成的目标文件（包括头文件，动态链接库，静态链接库，可执行文件等）、环境变量

gaocancan@ubuntu:~$ mkdir -p catkin_test/src
gaocancan@ubuntu:~$ cd catkin_test
gaocancan@ubuntu:~/catkin_test$ catkin_make
Base path: /home/gaocancan/catkin_test
Source space: /home/gaocancan/catkin_test/src
Build space: /home/gaocancan/catkin_test/build
Devel space: /home/gaocancan/catkin_test/devel
Install space: /home/gaocancan/catkin_test/install
Creating symlink "/home/gaocancan/catkin_test/src/CMakeLists.txt" pointing to "/opt/ros/kinetic/share/catkin/cmake/toplevel.cmake"
####
####
Running command: "cmake /home/gaocancan/catkin_test/src 
-DCATKIN_DEVEL_PREFIX=/home/gaocancan/catkin_test/devel 
-DCMAKE_INSTALL_PREFIX=/home/gaocancan/catkin_test/install -G Unix 
Makefiles" in "/home/gaocancan/catkin_test/build"
####
-- The C compiler identification is GNU 5.4.0
-- The CXX compiler identification is GNU 5.4.0
-- Check for working C compiler: /usr/bin/cc
-- Check for working C compiler: /usr/bin/cc -- works
-- Detecting C compiler ABI info
-- Detecting C compiler ABI info - done
-- Detecting C compile features
-- Detecting C compile features - done
-- Check for working CXX compiler: /usr/bin/c++
-- Check for working CXX compiler: /usr/bin/c++ -- works
-- Detecting CXX compiler ABI info
-- Detecting CXX compiler ABI info - done
-- Detecting CXX compile features
-- Detecting CXX compile features - done
-- Using CATKIN_DEVEL_PREFIX: /home/gaocancan/catkin_test/devel
-- Using CMAKE_PREFIX_PATH: /opt/ros/kinetic
-- This workspace overlays: /opt/ros/kinetic
-- Found PythonInterp: /usr/bin/python2 (found suitable version "2.7.12", minimum required is "2") 
-- Using PYTHON_EXECUTABLE: /usr/bin/python2
-- Using Debian Python package layout
-- Using empy: /usr/bin/empy
-- Using CATKIN_ENABLE_TESTING: ON
-- Call enable_testing()
-- Using CATKIN_TEST_RESULTS_DIR: /home/gaocancan/catkin_test/build/test_results
-- Found gtest sources under '/usr/src/gmock': gtests will be built
-- Found gmock sources under '/usr/src/gmock': gmock will be built
-- Found PythonInterp: /usr/bin/python2 (found version "2.7.12") 
-- Looking for pthread.h
-- Looking for pthread.h - found
-- Looking for pthread_create
-- Looking for pthread_create - not found
-- Looking for pthread_create in pthreads
-- Looking for pthread_create in pthreads - not found
-- Looking for pthread_create in pthread
-- Looking for pthread_create in pthread - found
-- Found Threads: TRUE  
-- Using Python nosetests: /usr/bin/nosetests-2.7
-- catkin 0.7.29
-- BUILD_SHARED_LIBS is on
-- BUILD_SHARED_LIBS is on
-- Configuring done
-- Generating done
-- Build files have been written to: /home/gaocancan/catkin_test/build
####
#### Running command: "make -j4 -l4" in "/home/gaocancan/catkin_test/build"
####
gaocancan@ubuntu:~/catkin_test$ tree
.
├── build
│   ├── atomic_configure
│   │   ├── env.sh
│   │   ├── local_setup.bash
│   │   ├── local_setup.sh
│   │   ├── local_setup.zsh
│   │   ├── setup.bash
│   │   ├── setup.sh
│   │   ├── _setup_util.py
│   │   └── setup.zsh
│   ├── catkin
│   │   └── catkin_generated
│   │       └── version
│   │           └── package.cmake
│   ├── catkin_generated
│   │   ├── env_cached.sh
│   │   ├── generate_cached_setup.py
│   │   ├── installspace
│   │   │   ├── env.sh
│   │   │   ├── local_setup.bash
│   │   │   ├── local_setup.sh
│   │   │   ├── local_setup.zsh
│   │   │   ├── setup.bash
│   │   │   ├── setup.sh
│   │   │   ├── _setup_util.py
│   │   │   └── setup.zsh
│   │   ├── order_packages.cmake
│   │   ├── order_packages.py
│   │   ├── setup_cached.sh
│   │   └── stamps
│   │       └── Project
│   │           ├── interrogate_setup_dot_py.py.stamp
│   │           ├── order_packages.cmake.em.stamp
│   │           ├── package.xml.stamp
│   │           └── _setup_util.py.stamp
│   ├── CATKIN_IGNORE
│   ├── catkin_make.cache
│   ├── CMakeCache.txt
│   ├── CMakeFiles
│   │   ├── 3.5.1
│   │   │   ├── CMakeCCompiler.cmake
│   │   │   ├── CMakeCXXCompiler.cmake
│   │   │   ├── CMakeDetermineCompilerABI_C.bin
│   │   │   ├── CMakeDetermineCompilerABI_CXX.bin
│   │   │   ├── CMakeSystem.cmake
│   │   │   ├── CompilerIdC
│   │   │   │   ├── a.out
│   │   │   │   └── CMakeCCompilerId.c
│   │   │   └── CompilerIdCXX
│   │   │       ├── a.out
│   │   │       └── CMakeCXXCompilerId.cpp
│   │   ├── clean_test_results.dir
│   │   │   ├── build.make
│   │   │   ├── cmake_clean.cmake
│   │   │   ├── DependInfo.cmake
│   │   │   └── progress.make
│   │   ├── cmake.check_cache
│   │   ├── CMakeDirectoryInformation.cmake
│   │   ├── CMakeError.log
│   │   ├── CMakeOutput.log
│   │   ├── CMakeRuleHashes.txt
│   │   ├── CMakeTmp
│   │   ├── download_extra_data.dir
│   │   │   ├── build.make
│   │   │   ├── cmake_clean.cmake
│   │   │   ├── DependInfo.cmake
│   │   │   └── progress.make
│   │   ├── doxygen.dir
│   │   │   ├── build.make
│   │   │   ├── cmake_clean.cmake
│   │   │   ├── DependInfo.cmake
│   │   │   └── progress.make
│   │   ├── feature_tests.bin
│   │   ├── feature_tests.c
│   │   ├── feature_tests.cxx
│   │   ├── Makefile2
│   │   ├── Makefile.cmake
│   │   ├── progress.marks
│   │   ├── run_tests.dir
│   │   │   ├── build.make
│   │   │   ├── cmake_clean.cmake
│   │   │   ├── DependInfo.cmake
│   │   │   └── progress.make
│   │   ├── TargetDirectories.txt
│   │   └── tests.dir
│   │       ├── build.make
│   │       ├── cmake_clean.cmake
│   │       ├── DependInfo.cmake
│   │       └── progress.make
│   ├── cmake_install.cmake
│   ├── CTestConfiguration.ini
│   ├── CTestCustom.cmake
│   ├── CTestTestfile.cmake
│   ├── gtest
│   │   ├── CMakeFiles
│   │   │   ├── CMakeDirectoryInformation.cmake
│   │   │   ├── gmock.dir
│   │   │   │   ├── build.make
│   │   │   │   ├── cmake_clean.cmake
│   │   │   │   ├── DependInfo.cmake
│   │   │   │   ├── depend.make
│   │   │   │   ├── flags.make
│   │   │   │   ├── link.txt
│   │   │   │   ├── progress.make
│   │   │   │   ├── src
│   │   │   │   └── usr
│   │   │   │       └── src
│   │   │   │           └── gtest
│   │   │   │               └── src
│   │   │   ├── gmock_main.dir
│   │   │   │   ├── build.make
│   │   │   │   ├── cmake_clean.cmake
│   │   │   │   ├── DependInfo.cmake
│   │   │   │   ├── depend.make
│   │   │   │   ├── flags.make
│   │   │   │   ├── link.txt
│   │   │   │   ├── progress.make
│   │   │   │   ├── src
│   │   │   │   └── usr
│   │   │   │       └── src
│   │   │   │           └── gtest
│   │   │   │               └── src
│   │   │   └── progress.marks
│   │   ├── cmake_install.cmake
│   │   ├── CTestTestfile.cmake
│   │   ├── gtest
│   │   │   ├── CMakeFiles
│   │   │   │   ├── CMakeDirectoryInformation.cmake
│   │   │   │   ├── gtest.dir
│   │   │   │   │   ├── build.make
│   │   │   │   │   ├── cmake_clean.cmake
│   │   │   │   │   ├── DependInfo.cmake
│   │   │   │   │   ├── depend.make
│   │   │   │   │   ├── flags.make
│   │   │   │   │   ├── link.txt
│   │   │   │   │   ├── progress.make
│   │   │   │   │   └── src
│   │   │   │   ├── gtest_main.dir
│   │   │   │   │   ├── build.make
│   │   │   │   │   ├── cmake_clean.cmake
│   │   │   │   │   ├── DependInfo.cmake
│   │   │   │   │   ├── depend.make
│   │   │   │   │   ├── flags.make
│   │   │   │   │   ├── link.txt
│   │   │   │   │   ├── progress.make
│   │   │   │   │   └── src
│   │   │   │   └── progress.marks
│   │   │   ├── cmake_install.cmake
│   │   │   ├── CTestTestfile.cmake
│   │   │   └── Makefile
│   │   └── Makefile
│   ├── Makefile
│   └── test_results
├── devel
│   ├── cmake.lock
│   ├── env.sh
│   ├── lib
│   ├── local_setup.bash
│   ├── local_setup.sh
│   ├── local_setup.zsh
│   ├── setup.bash
│   ├── setup.sh
│   ├── _setup_util.py
│   └── setup.zsh
└── src
  └── CMakeLists.txt -> /opt/ros/kinetic/share/catkin/cmake/toplevel.cmake

43 directories, 123 files

package 软件包

package是catkin编译的最小单元，我们调用catkin_make编译的对象就是一个个package,所以package也是ROS源码存放的地方。

一个package常见的结构有：

├── CMakeLists.txt #package的编译规则(必须)
├── package.xml #package的描述信息(必须)
├── src/ #源代码文件
├── include/ #C++头文件
├── scripts/ #可执行脚本
├── msg/ #自定义消息
├── srv/ #自定义服务
├── models/ #3D模型文件
├── urdf/ #urdf文件
├── launch/ #launch文件

通常ROS文件组织都是按照以上的形式，这是约定俗成的命名习惯，建议遵守。以上路径只有 CMakeLists.txt 和 package.xml 是必须的，其余路径根据软件包是否需要来决定。

package创建

创建package需要工作空间的src目录下，使用catkin_create_pkg package depends

其中package 是包名，depends是依赖的包名（如roscpp、rospy、std_msgs）执行命令后会自动完成软件包的初始化，并将依赖包按格式写入CMakeList.txt、package.xml.

gaocancan@ubuntu:~/catkin_test/src$ catkin_create_pkg catkin_test_pkg roscpp rospy std_msg
Created file catkin_test_pkg/CMakeLists.txt
Created file catkin_test_pkg/package.xml
Created folder catkin_test_pkg/include/catkin_test_pkg
Created folder catkin_test_pkg/src
Successfully created files in /home/gaocancan/catkin_test/src/catkin_test_pkg. Please adjust the values in package.xml.
gaocancan@ubuntu:~/catkin_test/src$ tree
.
├── catkin_test_pkg
│   ├── CMakeLists.txt
│   ├── include
│   │   └── catkin_test_pkg
│   ├── package.xml
│   └── src
└── CMakeLists.txt -> /opt/ros/kinetic/share/catkin/cmake/toplevel.cmake

4 directories, 3 files
gaocancan@ubuntu:~/catkin_test/src$

常用ros 命令：

如果不指定 [package]默认为当前目录

rospack list #列出本机所有package

rospack find [package] #定位某个package

rospack profile [package] #刷新所有package位置记录

rospack depends [package] #显示package依赖包

roscd [package] #打开package

rosls [package] #相当于ls

rosdep check [package] #检查package依赖是否满足

rosdep install [package] #安装package的依赖

rosdep db #生成和显示依赖数据库

rosdep init #初始化/etc/ros/rosdep中的源

rosdep keys 检查package的依赖是否满足

rosdep update 更新本地的rosdep数据库

cmakelists.txt、package.xml文件介绍

CMakeList.txt指定源码到目标文件的规则，该文件规定了package要依赖的包，编译目标文件、编译流程等。

cmakelists.txt写法：

cmake_minimum_required() #CMake的版本号
project() #项目名称
find_package() #找到编译需要的其他CMake/Catkin package
catkin_python_setup() #catkin新加宏，打开catkin的Python Module的支持
add_message_files() #catkin新加宏，添加自定义Message/Service/Action文件
add_service_files()
add_action_files()
generate_message() #catkin新加宏，生成不同语言版本的msg/srv/action接口 --重要
catkin_package() #catkin新加宏，生成当前package的cmake配置，供依赖本包的其他软件包调用 --重要
add_library() #生成库
add_executable() #生成可执行二进制文件
add_dependencies() #定义目标文件依赖于其他目标文件，确保其他目标已被构建
target_link_libraries() #链接
catkin_add_gtest() #catkin新加宏，生成测试
install() #安装至本机

语法推荐：https://github.com/Akagi201/learning-cmake/blob/master/docs/cmake-practice.pdf 。作者写的很直白，掌握CMake语法可以加深理解ROS工程

package.xml 包含了package 的名称、版本号、内容、编译依赖、运行依赖等信息，实际上rospack find 、rosdep命令也是读取该文件。

package.xml写法：

package.xml有两个版本，目前主流版本都支持。

版本一：

<pacakge> 根标记文件
<name> 包名
<version> 版本号
<description> 内容描述
<maintainer> 维护者
<license> 软件许可证
<buildtool_depend> 编译构建工具，通常为catkin --重要
<build_depend> 编译依赖项，与Catkin中的  --总要
<run_depend> 运行依赖项  --重要

版本二：

<pacakge> 根标记文件
<name> 包名
<version> 版本号
<description> 内容描述
<maintainer> 维护者
<license> 软件许可证
<buildtool_depend> 编译构建工具，通常为catkin
#用depend来整合build_depend和run_depend
<depend> 指定依赖项为编译、导出、运行需要的依赖，最常用 --重要
<build_depend> 编译依赖项  --重要
<build_export_depend> 导出依赖项  --重要
#用depend来整合build_depend和run_depend
<exec_depend> 运行依赖项  --重要
<test_depend> 测试用例依赖项
<doc_depend> 文档依赖项

入门脉络主要由几个部分组成，包括：ros简介、ros文件系统、ros通信架构、常用工具、roscpp和rospy。

2022-07-18 该篇文章被 Yann 打上标签: ROS