第2章機器人操作系統(tǒng)基礎目錄2.1ROS安裝目錄2.2測試ROS2.3

ROS架構2.4工作空間2.5創(chuàng)建功能包2.6本章小結2.1ROS安裝目錄ROS默認的安裝目錄為“文件/其他位置/計算機/opt”，找到“ros”文件夾并打開，可以看到一個以當前安裝的ROS版本號命名的文件夾，這里面就包含所有ROS的文件（見圖2-1），共有5個文件夾。圖2-1ROS默認文件夾2.1.1bin文件夾bin文件夾中的內(nèi)容如圖2-2所示，里面放置的是一些終端指令，如后續(xù)會經(jīng)常用到的“catkin_make”“roslaunch”“rosrun”等。圖2-2bin文件夾中的內(nèi)容2.1.2etc文件夾etc文件夾中的內(nèi)容如圖2-3所示，它主要是用來存放“catkin”和“ros”的配置文件的文件夾。圖2-3etc文件夾中的內(nèi)容2.1.3include文件夾include文件夾中的內(nèi)容如圖2-4所示，里面放置的是通過終端安裝的功能包里的頭文件。某個功能包中具有一些頭文件，在創(chuàng)建功能包時，如果需要依賴另一個功能包，就必須包含那個功能包的頭文件。圖2-4include文件夾中的內(nèi)容2.1.4lib文件夾lib文件夾中的內(nèi)容如圖2-5所示，里面放置的是通過終端安裝的功能包里的可執(zhí)行程序，也就是功能包中的節(jié)點，運行其中的節(jié)點就可以啟動相應功能。圖2-5lib文件夾中的內(nèi)容2.1.5share文件夾share文件夾中的內(nèi)容如圖2-6所示，里面放置的是通過終端安裝的功能包里的共享數(shù)據(jù)，是功能包里面接口的一些具體信息。接口包含話題、服務、action等。圖2-6share文件夾中的內(nèi)容2.2測試ROS2.2.1查看ROS安裝版本前面已經(jīng)介紹了ROS安裝的位置，并且明確了安裝的ROS版本為“noetic”，接下來我們可以通過在終端中輸入指令查看ROS版本。在終端中輸入“rosversion-d”，在終端窗口里顯示出了指令“noetic”，如圖2-7所示。這個指令可以幫助我們快速了解計算機當前安裝的ROS版本。圖2-7查看ROS版本2.2.2控制小烏龜（1）打開一個終端，輸入如下指令。roscore這條指令是啟動ROS節(jié)點管理器，如圖2-8所示。圖2-8啟動ROS節(jié)點管理器2.2.2控制小烏龜（2）保持之前的終端不要關閉，打開一個新終端，輸入如下指令。rosrunturtlesimturtlesim_node這條指令是啟動小烏龜節(jié)點，運行后彈出一個“TurtleSim”窗口，在其中心有一只靜止的小烏龜（見圖2-9）。（3）保持之前的終端不要關閉，打開一個新的終端，輸入如下指令。rosrunturtlesimturtle_teleop_key這條指令是啟動鍵盤控制小烏龜移動的節(jié)點，運行后可以通過鍵盤上的方向鍵控制小烏龜在窗口內(nèi)移動并留下軌跡（見圖2-10）。2.2.2控制小烏龜圖2-9小烏龜靜止圖2-10小烏龜移動2.3

ROS架構ROS架構分為三個部分：開源社區(qū)、文件系統(tǒng)和計算圖，如圖2-11所示。圖2-11ROS架構圖2.3.1ROS開源社區(qū)ROS用戶可以在通過網(wǎng)絡建立的開源社區(qū)中共享和獲取知識、代碼與算法?，F(xiàn)在開源社區(qū)中的資源非常豐富，這些資源包括以下幾種。（1）ROSDistribution：它類似于Linux發(fā)行版，是一個特定版本的所有程序包集合。（2）ROSWiki：它是用于記錄有關ROS信息的主要論壇，大家都可以進行注冊、登錄，分享、更正、更新和編寫教程等。（3）ROSRepository：ROS依賴于共享開源代碼與軟件庫，不同的機構組織能夠在這里發(fā)布或共享各自的機器人軟件或程序。（4）ROSAnswer：它是用于咨詢ROS相關問題的網(wǎng)站。2.3.2ROS文件系統(tǒng)ROS文件系統(tǒng)是指ROS代碼在計算機系統(tǒng)硬盤上的組織形式。和其他操作系統(tǒng)相似，ROS文件系統(tǒng)根據(jù)其中不同功能的組件，將其各個組件放置在不同的文件夾中，其結構如圖2-12所示。ROS文件系統(tǒng)的組織形式是一個標準化的架構，編寫的時候不要改變，以下是常用的各文件系統(tǒng)。（1）catkinworkspace：工作空間，是用戶自定義的存放工程開發(fā)相關文件的文件夾，包含3個文件夾，即src、Build、devel。（2）src：源碼空間，用于儲存功能包、項目、克隆包等。（3）Build：編譯空間，用于儲存CMake和catkin的緩存信息、配置信息及其他中間文件。（4）devel：開發(fā)空間，用于儲存變異后生成的目標文件，包括頭文件、動態(tài)或靜態(tài)鏈接庫和可執(zhí)行文件等，這些都是可以直接運行的程序。2.3.2ROS文件系統(tǒng)圖2-12ROS文件系統(tǒng)結構2.3.2ROS文件系統(tǒng)（5）Package：功能包。單個功能包稱為軟件包，多個功能包稱為堆。功能包是ROS程序的基本單元，每個功能包可以包含多個節(jié)點（進程或可執(zhí)行文件）、程序庫、腳本、配置文件及其他可以手動創(chuàng)建的東西。這些內(nèi)容可以在邏輯上被定義為一個完整的軟件模塊。（6）CMakeList.txt：編譯規(guī)則文件，用于設定編譯規(guī)則，如源文件、依賴項和目標文件等。2.3.2ROS文件系統(tǒng)（7）Manifest（Package.xml）：功能包清單文件，是一個名為Package.xml的XML文件，它必須位于功能包文件夾中。它是對功能包相關信息的介紹，用于定義軟件包相關信息之間的依賴關系，如功能包名稱、版本、作者、描述（某功能的軟件包）、維護者的郵箱、許可，這些可以改也可以不改，但是格式不能出錯；這里面還包括編譯標志及對其他功能包的依賴項。注意，系統(tǒng)包的依賴關系也應該在Package.xml中聲明，當用戶需要在設備上通過源代碼來構建包時，這一點是非常有必要的。（8）scripts：用于儲存Python文件、Linux操作系統(tǒng)下的shell文件和其他可執(zhí)行文件。2.3.2ROS文件系統(tǒng)（9）msg：在ROS框架中，節(jié)點（Node）之間通過將消息發(fā)布到話題（Topic）中來實現(xiàn)彼此的異步通信，這里的話題是一種數(shù)據(jù)結構，而消息文件的擴展名為.msg，它位于功能包msg中，即msg是用來儲存消息通信格式的文件夾。（10）srv：ROS服務。ROS節(jié)點還可以通過系統(tǒng)服務的調用來同步交換請求（Request）和響應（Response）消息。這些交換請求和響應消息位于srv文件夾中，擴展名為.srv。（11）include：用于儲存頭文件。（12）src：用來儲存源文件。2.3.2ROS文件系統(tǒng)（13）launch：用于儲存launch文件。launch文件的作用是一次性運行多個節(jié)點。如果要獲得關于ROS環(huán)境中的功能包和棧的信息，如它們的路徑、依賴關系等，則需要用到ROS文件系統(tǒng)工具。它們可以幫助我們查詢ROS工作空間中的相關文件，可以簡化操作，常用的指令有如下幾個。（1）rospack可以得到一個包的信息，rospackhelp指令會運行出來許多相關操作，其中find的功能是得到一個功能包的路徑。格式：rospackfind功能包名。實例：rospackfindroscpp。結果：/opt/ros/melodic/share/roscpp。2.3.2ROS文件系統(tǒng)（2）roscd可以直接進入pkg，不需要使用絕對路徑。格式：roscd包名。實例：roscdroscpp。結果：/opt/ros/melodic/share/roscpp$。注意：roscd只會在ROS_PACKAGE_PATH環(huán)境變量指定的路徑中查找ros包，并進入這個包，所以在使用roscd來進入一個pkg前，一定要保證pkg的路徑在ROS_PACKAGE_PATH中。2.3.2ROS文件系統(tǒng)（3）rosls直接列出一個包的目錄，也不需要使用絕對路徑，只需要一個包名即可。格式：rosls包名。實例：roscdroscpp_tutorials。結果：cmakelaunchPackage.xmlsrv。（4）Tab自動補全。對于已經(jīng)存在的文件，可以只輸入文件名的前面幾個字母，剩余部分使用“Tab”鍵補全。2.3.3ROS計算圖ROS軟件的各功能以節(jié)點為單位獨立運行。ROS創(chuàng)建了連接所有節(jié)點的通信網(wǎng)絡，通過這個網(wǎng)絡，各個相互獨立的節(jié)點可以進行交互。ROS計算圖如圖2-13所示，計算圖這一層級中包括節(jié)點、節(jié)點管理器、參數(shù)服務器、消息、主題、服務和消息記錄包。圖2-13ROS計算圖2.3.3ROS計算圖1．節(jié)點在ROS中，節(jié)點相當于模塊，一個機器人具有很多的功能，每個功能都可以獨立出來成為功能模塊，而節(jié)點就相當于軟件層面的功能模塊，使軟件設計更加便捷。像2.2節(jié)中運行rosrunturtlesimturtlesim_node和rosrunturtlesimturtle_teleop_key兩步，就是啟動了對應的節(jié)點。2．節(jié)點管理器節(jié)點管理器在ROS中扮演著管理者的角色，管理著各個節(jié)點，保證節(jié)點正常運行，節(jié)點需要先在節(jié)點管理器中進行注冊，才能融入ROS程序這個“大家庭”進行交流。2.2節(jié)中的“roscore”指令的作用就是啟動節(jié)點管理器。2.3.3ROS計算圖3．參數(shù)服務器參數(shù)服務器相當于ROS程序“大家庭”中的“家族圖書館”，是可以通過網(wǎng)絡訪問的共享字典，節(jié)點將關鍵字儲存在節(jié)點管理器中，節(jié)點使用參數(shù)服務器儲存和檢索參數(shù)。4．消息消息相當于ROS程序“大家庭”中各成員聯(lián)系所使用的“書信”，節(jié)點之間通過傳遞消息進行通信，每種消息都有自己嚴格的數(shù)據(jù)結構。2.3.3ROS計算圖5．主題主題相當于ROS所在世界的“郵局”，可以有針對性地傳遞消息。在2.2節(jié)中已經(jīng)運行的那兩個指令的狀態(tài)基礎上，可以打開一個新的終端運行如下指令。rqt_graph運行后會彈出如圖2-14所示的rqt_graph_RosGraph-rqt界面，可以看出節(jié)點“/teleop_turtle”和節(jié)點“/turtlesim”之間通過名為“/turtle1/cmd_vel”的主題進行通信。節(jié)點“/teleop_turtle”在此主題上發(fā)布按鍵輸入消息，節(jié)點“/turtlesim”訂閱此主題接收該消息。圖2-14rqt_graph_RosGraph_rqt界面6．服務服務相當于升級版的主題，相對于主題來說，服務可以進行同步消息傳遞，其基于客戶端/服務器（Client/Server）模型，包含兩個部分的通信數(shù)據(jù)類型：一個用于請求；另一個用于應答，類似于Web服務器。與主題不同的是，ROS中只允許有一個節(jié)點提供指定命名的服務。本節(jié)介紹了ROS計算圖下的各組成部分，在2.2節(jié)中，用到了“rosrun”指令，現(xiàn)在具體介紹一下“rosrun”指令格式。指令格式：rosrun[package_name][node_name]如果需要啟動多個節(jié)點，可以使用“roslaunch”指令批量運行。指令格式：roslaunch[package_name][launch_name.launch]“roslaunch”會在啟動節(jié)點前檢測系統(tǒng)是否啟動了節(jié)點管理器，如果沒有，那么它會自動打開節(jié)點管理器。2.4工作空間在前面的章節(jié)中已經(jīng)介紹了工作空間及其內(nèi)部結構，接下來我們就要自己手動創(chuàng)建一個工作空間以供后面實驗使用。工作空間直觀理解就是一個文件夾，工作空間不是功能包，一個工作空間中可以有多個功能包。2.4.1創(chuàng)建工作空間（1）打開終端，輸入如下指令。

mkdir-p~/catkin_ws/src

這條指令會先在主文件夾（用戶文件夾）下創(chuàng)建一個名為“catkin_ws”的文件夾，然后在其下創(chuàng)建一個下一級的src文件夾，如圖2-15所示。而使用“mkdir-p”這個指令可以依次創(chuàng)建目錄，即使上一級目錄不存在，也會按照目錄層級自動創(chuàng)建目錄?！?p”表示遞歸創(chuàng)建目錄?！皛/”表示當前用戶名目錄。src文件夾即代碼空間，用戶不能自行用別的名稱代替。工作空間名稱是可以自定義的。圖2-15“catkin_ws”文件夾2.4.1創(chuàng)建工作空間（2）在終端中輸入如下指令。

cd~/catkin_ws/src

這條指令會使終端在“~/catkin_ws/src”目錄下運行，如圖2-16所示。圖2-16運行在“~/catkin_ws/src”目錄下的終端2.4.1創(chuàng)建工作空間（3）在終端中輸入如下指令。catkin_init_workspace這條指令是初始化src文件夾，將其變?yōu)镽OS工作空間。運行后會在“src”文件夾中生成一個名為“CMakeLists.txt”的文件，如圖2-17所示，此時一個最初始的ROS工作空間便創(chuàng)建成功。圖2-17生成“CMakeLists.txt”文件2.4.2編譯工作空間要編譯工作空間，就要先回到工作空間的根目錄。（1）在終端中輸入如下指令。cd~/catkin_ws/這條指令會使終端在“~/catkin_ws”目錄下運行，如圖2-18所示。catkin_ws是指自定義的工作空間名稱。圖2-18運行在“~/catkin_ws/”目錄下的終端2.4.2編譯工作空間（2）在終端中輸入如下指令。catkin_make這條指令是進行編譯的指令，編譯成功后會在“~/catkin_ws”目錄下生成“build”和“devel”兩個文件夾，如圖2-19所示。“devel”文件夾中存放了編譯完成的內(nèi)容。加上2.4.1節(jié)創(chuàng)建的“src”文件夾，此時catkin_ws文件夾下共有三個文件夾。需要注意的是，“catkin_make”如果不在工作空間文件夾下運行，則系統(tǒng)將會報錯。圖2-19生成“build”和“devel”兩個文件夾2.4.2編譯工作空間（3）在終端中輸入如下指令。catkin_init_workspace這條指令是初始化src文件夾，將其變?yōu)镽OS工作空間。運行后會在“src”文件夾中生成一個名為“CMakeLists.txt”的文件，如圖2-17所示，此時一個最初始的ROS工作空間便創(chuàng)建成功.圖2-17生成“CMakeLists.txt”文件2.4.3添加環(huán)境變量將工作空間添加到環(huán)境變量中可以省去每次打開終端時手動刷新的步驟，具體步驟如下。（1）在終端中輸入如下指令。echo"source~/catkin_ws/devel/setup.bash">>~/.bashrc該指令的意思是把“source~/catkin_ws/devel/setup.bash”這條指令加載到“~/.bashrc”這個腳本的后面。實際上，這與直接打開.bashrc文件將“source~/catkin_ws/devel/setup.bash”粘貼進去的結果是一樣的。這樣每次打開終端時，系統(tǒng)就會自動刷新工作空間環(huán)境。這個工作空間中的所有Package都可以在編譯后直接運行，不用再source。（讀者可通過網(wǎng)絡查看其他環(huán)境配置方式或手動配置。）2.4.3添加環(huán)境變量（2）在終端中輸入如下指令。source~/.bashrc使用該指令就可以成功將工作空間添加到環(huán)境變量中，添加后的“~/.bashrc”文件如圖2-20所示，在其最后兩行就包含第1章及這一步添加的環(huán)境變量。工作空間生效后，通過指令“echo$ROS_PACKAGE_PATH”可以查看當前環(huán)境中的工作變量，在當前工作空間中運行以上指令后，會顯示創(chuàng)建的工作空間和二進制安裝的核心庫與依賴包兩個路徑（/home/robot/catkin_ws/src:/opt/ros/melodic/share）。圖2-20添加后的“~/.bashrc