第1章機器人操作系統(tǒng)（ROS）概述目錄contentsUbuntu系統(tǒng)及常用指令ROS發(fā)展與現(xiàn)狀安裝ROS認(rèn)識ROSROS開發(fā)環(huán)境搭建Ubuntu系統(tǒng)及常用指令01CATALOGUEUbuntu系統(tǒng)安裝1.下載軟件安裝包（ubuntu-20.04.4)/ubuntu-releases/20.04/2.下載U盤系統(tǒng)制作軟件（UltraISO）/3.安裝方法/video/BV1WZ4y167me?p=7注意：分區(qū)（Swap、Logic、Main）Ubuntu系統(tǒng)界面Ubuntu系統(tǒng)使用介紹1.點擊圖標(biāo)進(jìn)行打開2.使用按鍵“Ctrl+Alt+T”進(jìn)行打開打開終端常用指令ls-顯示文件及文件夾cd-修改工作目錄pwd-打印當(dāng)前工作目錄cp-復(fù)制文件或文件夾mv-移動文件或文件夾rm-刪除文件或文件夾kill-強制關(guān)閉進(jìn)程mkdir-創(chuàng)建目錄/文件夾touch-創(chuàng)建文件gedit-創(chuàng)建文件（文件已存在，則打開）sudo-執(zhí)行指令ROS發(fā)展與現(xiàn)狀02CATALOGUEROS發(fā)展與現(xiàn)狀機器人開發(fā)不可或缺的工具，已經(jīng)應(yīng)用于各類機器人開發(fā)安裝ROS03CATALOGUEROS安裝步驟ROS官網(wǎng)安裝步驟:/noetic/Installation/Ubuntu一鍵安裝方式：/ROS安裝步驟安裝目錄：/opt/rosROS安裝步驟啟動rosmaster節(jié)點ROS安裝步驟啟動master啟動Turtlesim啟動鍵盤控制節(jié)點$roscore$rosrunturtlesimturtlesim_node$rosrunturtlesimturtle_teleop_key以下哪個指令可以查看當(dāng)前工作目錄（

）lspwdcdgeditABCD提交單選題1分認(rèn)識ROS04CATALOGUEROS的定義與核心概念

ROS-RobotOperatingSystem，機器人操作系統(tǒng)=+++通信機制開發(fā)工具應(yīng)用功能生態(tài)系統(tǒng)ROS的定義與核心概念ROS的定義與核心概念ROS通信機制介紹話題（Topic）——異步通信機制節(jié)點間用來傳輸數(shù)據(jù)的重要總線；使用發(fā)布/訂閱模型，數(shù)據(jù)由發(fā)布者傳輸?shù)接嗛喺?，同一個話題的訂閱者或發(fā)布者可以不唯一。消息（Message）——話題數(shù)據(jù)具有一定的類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括ROS提供的標(biāo)準(zhǔn)類型和用戶自定義類型；使用編程語言無關(guān)的.msg文件定義，編譯過程中生成對應(yīng)的代碼文件。ROS通信機制介紹服務(wù)（Service）——同步通信機制使用客戶端/服務(wù)器（C/S）模型，客戶端發(fā)送請求數(shù)據(jù)，服務(wù)器完成處理后返回應(yīng)答數(shù)據(jù)；使用編程語言無關(guān)的.srv文件定義請求和應(yīng)答數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，編譯過程中生成對應(yīng)的代碼文件。ROS通信機制介紹話題與服務(wù)的區(qū)別ROS通信機制介紹參數(shù)（Parameter）——全局共享字典可通過網(wǎng)絡(luò)訪問的共享、多變量字典；節(jié)點使用此服務(wù)器來存儲和檢索運行時的參數(shù)；適合存儲靜態(tài)、非二進(jìn)制的配置參數(shù)，不適合存儲動態(tài)配置的數(shù)據(jù)。ROS通信機制介紹功能包（Package）ROS軟件中的基本單元，包含節(jié)點源碼、配置文件、數(shù)據(jù)定義等。功能包清單（Packagemanifest）

記錄功能包的基本信息，保護作者信息、許可信息、依賴選項、編譯標(biāo)志等。元功能包（MetaPackage）

組織多個用于同一目的的功能包。ROS開發(fā)環(huán)境搭建05CATALOGUE安裝終端

ROS中需要頻繁使用終端，經(jīng)常需要同時開啟多個窗口，推薦使用Terminator。在終端中，執(zhí)行如下指令，進(jìn)行Terminator的安裝。$sudoaptinstallterminator終端工具Terminator使用效果安裝VSCodeVSCode的全稱是VisualStudioCode,是微軟公司研發(fā)的一款輕量級代碼編輯器，免費，但功能強大。VSCode支持Windows、MacOS、Linux等多種平臺。（1）下載VSCode。下載地址：/docs?start=true（2）安裝VSCode。方式1：雙擊安裝即可（或右擊選擇安裝）。方式2：在所在文件夾下打開終端，輸入如下命令進(jìn)行安裝：打開VSCode后的界面$sudodpkg-ixxxx.debTHANKS感謝觀看第2章機器人操作系統(tǒng)（ROS）架構(gòu)目錄contentsROS架構(gòu)簡介ROS文件系統(tǒng)ROS計算圖ROS架構(gòu)簡介01CATALOGUEROS架構(gòu)簡介ROS的架構(gòu)可以分為三個層次：操作系統(tǒng)層、中間層和應(yīng)用層，如圖所示。ROS的架構(gòu)ROS架構(gòu)簡介1.操作系統(tǒng)層（OS層）ROS并不是一個傳統(tǒng)意義上的操作系統(tǒng)，而只是一個元操作系統(tǒng)，無法像Windows、Linux一樣直接運行在計算機硬件之上，而是需要依托真正意義的操作系統(tǒng)。所以在OS層，可以直接使用ROS官方支持度最好的Ubuntu操作系統(tǒng)，也可以使用MacOS、Arch、Debian等操作系統(tǒng)，Windows也支持ROS2.0的版本。2.中間層

Linux是一個通用系統(tǒng)，并沒有針對機器人開發(fā)提供特殊的中間件，所以ROS在中間層做了大量的工作，其中最為重要的就是基于TCPROS/UDPROS的通信系統(tǒng)。ROS的通信系統(tǒng)基于TCP/UDP網(wǎng)絡(luò)，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行了二次封裝，也就是TCPROS/UDPROS。通信系統(tǒng)使用發(fā)布/訂閱、客戶端/服務(wù)器等模式，實現(xiàn)多種通信機制的數(shù)據(jù)傳輸。

除了TCPROS/UDPROS的通信機制外，ROS還提供一種進(jìn)程內(nèi)的通信方法——Nodelet，它可以為多進(jìn)程通信提供一種更優(yōu)化的數(shù)據(jù)傳輸方式，為數(shù)據(jù)的實時性傳輸提供支持。ROS架構(gòu)簡介3.應(yīng)用層

在應(yīng)用層中，ROS需要運行一個管理者——Master，負(fù)責(zé)管理整個系統(tǒng)的正常運行。ROS社區(qū)內(nèi)共享了大量的機器人應(yīng)用功能包，這些功能包內(nèi)的模塊以節(jié)點為單位運行，以ROS標(biāo)準(zhǔn)的輸入輸出作為接口，開發(fā)者不需要關(guān)注模塊的內(nèi)部實現(xiàn)機制，只需要了解接口規(guī)則即可實現(xiàn)復(fù)用，極大地提高了代碼開發(fā)效率。作為一種“次級操作系統(tǒng)”，常見的ROS系統(tǒng)架構(gòu)一般有三個部分：ROS架構(gòu)簡介

作為一種“次級操作系統(tǒng)”，常見的ROS系統(tǒng)架構(gòu)一般有三個部分：（1）文件系統(tǒng)級——描述了程序文件在硬盤上是如何組織的，ROS的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、文件結(jié)構(gòu)和核心文件都在這一層；（2）計算圖級——說明了程序的運行方式，即進(jìn)程與進(jìn)程，進(jìn)程與系統(tǒng)之間的通信；（3）開源社區(qū)級——描述了開發(fā)者之間是如何共享知識，算法和代碼的。從系統(tǒng)實現(xiàn)角度來劃分ROS的架構(gòu)ROS文件系統(tǒng)02CATALOGUEROS文件系統(tǒng)ROS文件系統(tǒng)主要包括了功能包集、功能包、功能包清單、消息類型、服務(wù)類型和代碼等。ROS文件系統(tǒng)示意圖ROS文件系統(tǒng)1）功能包集（Metapackage）2）功能包（Package）

功能包是ROS系統(tǒng)中軟件組織的主要形式，一個功能包包含了創(chuàng)建ROS程序的最小結(jié)構(gòu)和最小內(nèi)容，如ROS運行的進(jìn)程。3）功能包清單（PackageManifest）

功能包清單是一個package.xml文件，它提供了功能包的相關(guān)信息。4）消息類型（Messagetype）

ROS通過消息進(jìn)行信息傳遞，ROS中提供了大量的標(biāo)準(zhǔn)類型，.msg的文件存儲在功能包的msg文件夾下。5）服務(wù)類型（Serviectype）

在ROS中，擴展名為.srv的服務(wù)描述文件定義了ROS中的請求和回應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，存儲在功能包的srv文件夾下。6）代碼（Code）

功能包的源程序存儲在src文件夾。ROS文件系統(tǒng)一、工作空間

工作空間主要用于存儲ROS功能包工作空間典型結(jié)構(gòu)示意圖ROS文件系統(tǒng)1）源文件空間（默認(rèn)為src文件夾）2）編譯空間（默認(rèn)為build文件夾）3）開發(fā)空間（默認(rèn)為devel文件夾）常用的catkin命令如下：catkin_init_workspace:把指定的工作目錄初始化為ROS的工作空間。catkin_create_pkg:創(chuàng)建功能包。catkin_make:編譯功能包。catkin_find:搜索工作目錄。ROS文件系統(tǒng)二、功能包

功能包是ROS軟件的基本組織形式，一個功能包可以包含多個可執(zhí)行文件。功能包主要包含以下文件夾和文件：1）include:

此文件夾包含了所需庫的頭文件2）msg:

此文件夾存儲消息文件3）srv:

此文件夾存儲服務(wù)文件4）src:

此文件夾存儲程序源文件5）scripts:

此文件夾存儲Python可執(zhí)行腳本文件6）CMakeLists.txt:

規(guī)定了catkin編譯的規(guī)則，如catkin的最低版本，編譯時需要的依賴項和指定生成庫文件/可執(zhí)行文件等7）package.xml:

功能包清單，是package不可缺少的成分。主要記錄了該功能包的名稱、版本號、信息描述、作者信息和許可信息。ROS文件系統(tǒng)二、功能包

8）models:

存放機器人或仿真場景的3D模型（.sda,.stl,.dae等）9）urdf:

存放機器人的模型描述文件（.urdf或.xacro）10）launch:

存放launch文件（.launch或.xml）ROS文件系統(tǒng)三、功能包集（Metapackage）

功能包集是不含源代碼且只有一個package.xml文件的特定包，它用于引用其他功能特性類似的功能包。在ROS中有各種不同用途的功能包集，如導(dǎo)航包navigation，機器人功能包集turtlebot等。

與功能包的CMakeLists.txt不同，功能包集的CMakeLists.txt文件加入了catkin_metapackage()宏，用于指定本軟件包為一個功能包集。同時，功能包集的package.xml文件中也需添加標(biāo)簽聲明是一個功能包集。Metapackage名稱描述鏈接navigation導(dǎo)航相關(guān)的功能包集/ros-planning/navigationmoveit運動規(guī)劃相關(guān)的（主要是機械

臂）功能包集/ros-planning/moveitvision_opencvROS與OpenCV交互的功能包集/ros-perception/vision_opencvimage_pipeline圖像獲取、處理相關(guān)的功能包集/ros-perception/image_commonturtlebotTurtlebot機器人相關(guān)的功能包集/turtlebot/turtlebot..................ROS里常見的MetapackageROS計算圖03CATALOGUEROS計算圖

計算圖是由一些共同處理數(shù)據(jù)的ROS進(jìn)程形成的點對點網(wǎng)絡(luò)，主要描述進(jìn)程和系統(tǒng)之間的通信。計算圖涉及以下幾個重要概念：節(jié)點（Node）、主題（Topic）、消息（Message）、服務(wù)（Service）、節(jié)點管理器（Master）、參數(shù)服務(wù)器（ParameterServer）和消息記錄包（Bag），這些概念都以各自的方式向計算圖提供數(shù)據(jù)。一、節(jié)點

節(jié)點可以通過主題、服務(wù)、參數(shù)服務(wù)器與其他節(jié)點通信，從而聯(lián)結(jié)成計算圖。ROS通過使用節(jié)點簡化了系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)容錯性和可維護性。同時，使用節(jié)點可以保證ROS系統(tǒng)能夠在多個機器上同時運行。節(jié)點可以使用不同的庫進(jìn)行編寫，如roscpp和rospy；其中roscpp基于C++,rospy基于Python。1）rosrun:

運行ROS節(jié)點2）rosnode:

顯示ROS節(jié)點的信息ROS計算圖二、消息

節(jié)點通過消息實現(xiàn)彼此之間的通信。消息從本質(zhì)上來說，是節(jié)點之間用于交換信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。ROS提高了多種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類型（如整型，浮點型，布爾型等），用戶也可以基于標(biāo)準(zhǔn)消息自定義某種類型的消息。ROS提供了rosmsg命令行工具用于顯示消息信息。1）rosmsglist:

顯示所有消息2）rosmsgshow:

顯示消息3）rosmsgpackage:

顯示用于指定功能包的所有消息4）rosmsgpackages:

顯示使用消息的所有功能包ROS計算圖三、主題

主題是用于標(biāo)識消息內(nèi)容的名稱，消息可以通過一種發(fā)布/訂閱的方式傳遞，而節(jié)點可以向一個指定的主題發(fā)布消息。一個節(jié)點對特定類型的數(shù)據(jù)感興趣就訂閱相應(yīng)的主題。一個節(jié)點可以同時訂閱或者發(fā)布多個主題的消息，多個節(jié)點也發(fā)布或者訂閱同一個主題的消息。發(fā)布者和訂閱者彼此獨立，不互相影響。實際上，主題并不關(guān)注哪些節(jié)點發(fā)布或者訂閱消息，它只關(guān)注消息的類型是否匹配。需要主要的是：主題的名字必須具有唯一性。ROS提供了rostopic命令行工具用于對主題進(jìn)行操作：1）rostopiclist:

顯示當(dāng)前正在發(fā)送和接收的所有主題的列表2）rostopicecho:

實時顯示主題的消息內(nèi)容3）rostopicfind:

顯示使用指定類型的消息的主題4）rostopictype:

顯示指定主題的消息類型5）rostopicinfo:顯示指定主題的信息，包括類型、發(fā)布者，主題接收者等6）rostopicpub[主題名稱][消息類型][參數(shù)]:

向指定的主題發(fā)布消息ROS計算圖四、服務(wù)

當(dāng)節(jié)點之間需要請求/回應(yīng)交互時，主題無法滿足此需求，但可以通過服務(wù)來實現(xiàn)。ROS中的服務(wù)由一對消息來定義：一條消息用于請求（Request），一條消息用于回應(yīng)（Response）。當(dāng)某個ROS節(jié)點提供服務(wù)時，其他節(jié)點可以通過發(fā)送請求消息并等待回應(yīng)來調(diào)用服務(wù)。服務(wù)也必須有唯一的名字。自定義服務(wù)使用功能包中的.srv文件來定義。1）rosservice:

顯示活動的服務(wù)信息2）rossrv:

顯示靜態(tài)的服務(wù)信息ROS計算圖五、參數(shù)服務(wù)器

節(jié)點在運行時使用參數(shù)服務(wù)器存儲和檢索參數(shù)，參數(shù)服務(wù)器是一個可通過網(wǎng)絡(luò)API訪問的共享多變量字典。參數(shù)服務(wù)器中的配置參數(shù)通常是全局可見的，這便于查看和更改系統(tǒng)的配置狀態(tài)。1