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Jul 30, 2024 06:37 PM
Last edited time
Aug 18, 2024 04:27 PM
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🗒️发表的笔记
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1. Robot Operating System
1.1. 简介
ROS是一个适用于机器人编程的框架，这个框架把原本松散的零部件耦合在了一起，为他们提供了通信架构。ROS虽然叫做操作系统，但并非Windows、Mac那样通常意义的操作系统，它只是连接了操作系统和你开发的ROS应用程序，所以它也算是一个中间件，基于ROS的应用程序之间建立起了沟通的桥梁，所以也是运行在Linux上的运行时环境，在这个环境上，机器人的感知、决策、控制算法可以更好的组织和运行。
以上几个关键词（框架、中间件、操作系统、运行时环境）都可以用来描述ROS的特性，作为初学者我们不必深究这些概念，随着你越来越多的使用ROS，就能够体会到它的作用。
1.2. 历代ROS版本
ROS1.0版本发布于2010年， 基于PR2机器人开发了一系列机器人相关的基础软件包。 随后
ROS版本迭代频繁， 目前已经发布到了Lunar。 目前使用人数最多的是Kinetic和Indigo这两个
Long Term Support版本。
ROS版本 | 发布时间 |
Lunar Loggerhead | 2017.5 |
Kinetic Kame | 2016.5 |
Jade Turtle | 2015.5 |
Indigo lgloo | 2014.7 |
Hydro Medusa | 2013.9 |
Groovy Galapagos | 2012.12 |
Fuerte Turtle | 2012.4 |
Electric Emys | 2011.8 |
Diamondback | 2011.3 |
C Turtle | 2010.8 |
Box TurtleBox Turtle | 2010.3 |
1.3. ROS特点
ROS具有这些特点：
- 分布式 点对点
ROS采用了分布式的框架，通过点对点的设计让机器人的进程可以分别运行，便于模块化的修改和定制，提高了系统的容错能力。
- 多种语言支持
ROS支持多种编程语言。C++、Pyhton已经在ROS中实现编译，是目前应用最广的ROS开发语言，Lisp、C#、Java等语言的测试库也已经实现。为了支持多语言编程，ROS采用了一种语言中立的接口定义语言来实现各模块之间消息传送。通俗的理解就是，ROS的通信格式和用哪种编程语言来写无关，它使用的是自身定义的一套通信接口。
- 开源社区
ROS具有一个庞大的社区ROS WIKI，这个网站将会始终伴随着你ROS开发，无论是查阅功能包的参数、搜索问题还是。当前使用ROS开发的软件包已经达到数千万个，相关的机器人已经多达上千款。此外，ROS遵从BSD协议，对个人和商业应用及修改完全免费。这也促进了ROS的流行。
1.4. ROS优缺点
ROS为我们开发机器人带来了许多方便， 然而它也确实存在一些问题：
优点 | 缺点 |
提供框架、 工具和功能 | 通信实时性能有限 |
方便移植 | 系统稳定性尚不满足工业级要求 |
庞大的用户群体 | 安全性上没有防护措施 |
免费开源 | 仅支持Linux(Ubuntu) |
总体来说， ROS更适合科研和开源用户使用， 如果在工业场景应用（ 例如无人驾驶） 还需要
做优化和定制。 为了解决实际应用的问题， ROS2.0做了很大的改进， 目前正在开发之中， 未
来表现如何值得期待。
2. 安装
3. 编译
3.1. Catkin特点
Catkin是基于CMake的编译构建系统，具有以下特点：
- Catkin沿用了包管理的传统像
find_package()基础结构,pkg-config
- 扩展了CMake，例如
- 软件包编译后无需安装就可使用
- 自动生成
find_package()代码，pkg-config文件 - 解决了多个软件包构建顺序问题
一个Catkin的软件包（package）必须要包括两个文件：
- package.xml: 包括了package的描述信息
- name, description, version, maintainer(s), license
- opt. authors, url's, dependencies, plugins, etc...
- CMakeLists.txt: 构建package所需的CMake文件
- 调用Catkin的函数/宏
- 解析
package.xml - 找到其他依赖的catkin软件包
- 将本软件包添加到环境变量
3.2. Catkin工作原理
catkin编译的工作流程如下：
- 首先在工作空间
catkin_ws/src/下递归的查找其中每一个ROS的package。
- package中会有
package.xml和CMakeLists.txt文件，Catkin(CMake)编译系统依据CMakeLists.txt文件,从而生成makefiles(放在catkin_ws/build/)。
- 然后
make刚刚生成的makefiles等文件，编译链接生成可执行文件(放在catkin_ws/devel)。
也就是说，Catkin就是将
cmake与make指令做了一个封装从而完成整个编译过程的工具。catkin有比较突出的优点，主要是：- 操作更加简单
- 一次配置，多次使用
- 跨依赖项目编译
3.3. 使用catkin_make进行编译
要用catkin编译一个工程或软件包，只需要用
catkin_make指令。一般当我们写完代码，执行一次catkin_make进行编译,调用系统自动完成编译和链接过程，构建生成目标文件。编译的一般性流程如下，在1.5节我们编译ROS-Academy-for-Beginners教学包就是这样的流程。注意: catkin编译之前需要回到工作空间目录，
catkin_make在其他路径下编译不会成功。编译完成后，如果有新的目标文件产生（原来没有），那么一般紧跟着要source刷新环境，使得系统能够找到刚才编译生成的ROS可执行文件。这个细节比较容易遗漏，致使后面出现可执行文件无法打开等错误。catkin_make命令也有一些可选参数，例如：4. Catkin工作空间
Catkin工作空间是创建、修改、编译catkin软件包的目录。catkin的工作空间，直观的形容就是一个仓库，里面装载着ROS的各种项目工程，便于系统组织管理调用。在可视化图形界面里是一个文件夹。我们自己写的ROS代码通常就放在工作空间中，本节就来介绍catkin工作空间的结构。
4.1. Catkin工作空间结构
catkin的结构十分清晰，具体的catkin工作空间结构图如下。初看起来catkin工作空间看起来极其复杂，其实不然，catkin工作空间的结构其实非常清晰。
在工作空间下用tree命令，显示文件结构。
结果为：
通过tree命令可以看到catkin工作空间的结构,它包括了
src、build、devel三个路径，在有些编译选项下也可能包括其他。但这三个文件夹是catkin编译系统默认的。它们的具体作用如下：- 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
在编译过程中，它们的工作流程如图：
后两个路径由catkin系统自动生成、管理，我们日常的开发一般不会去涉及，而主要用到的是src文件夹，我们写的ROS程序、网上下载的ROS源代码包都存放在这里。
在编译时，catkin编译系统会递归的查找和编译
src/下的每一个源代码包。因此你也可以把几个源代码包放到同一个文件夹下，如下图所示：
4.2. 小结
catkin工作空间基本就是以上的结构，package是catkin工作空间的基本单元，我们在ROS开发时，写好代码，然后catkin_make，系统就会完成所有编译构建的工作。至于更详细的package内容，我们将在下节继续介绍。
5. Package软件包
我们调用
catkin_make编译的对象就是一个个ROS的package，也就是说任何ROS程序只有组织成package才能编译。所以package也是ROS源代码存放的地方，任何ROS的代码无论是C++还是Python都要放到package中，这样才能正常的编译和运行。
一个package可以编译出来多个目标文件（ROS可执行程序、动态静态库、头文件等等）。5.1. package结构
一个package下常见的文件、路径有：
其中定义package的是
CMakeLists.txt和package.xml，这两个文件是package中必不可少的。catkin编译系统在编译前，首先就要解析这两个文件。这两个文件就定义了一个package。- CMakeLists.txt: 定义package的包名、依赖、源文件、目标文件等编译规则，是package不可少的成分
- package.xml: 描述package的包名、版本号、作者、依赖等信息，是package不可少的成分
- src/: 存放ROS的源代码，包括C++的源码和(.cpp)以及Python的module(.py)
- include/: 存放C++源码对应的头文件
- scripts/: 存放可执行脚本，例如shell脚本(.sh)、Python脚本(.py)
- msg/: 存放自定义格式的消息(.msg)
- srv/: 存放自定义格式的服务(.srv)
- models/: 存放机器人或仿真场景的3D模型(.sda, .stl, .dae等)
- urdf/: 存放机器人的模型描述(.urdf或.xacro)
- launch/: 存放launch文件(.launch或.xml)
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。以上路径中，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。5.2. package的创建
创建一个package需要在
catkin_ws/src下,用到catkin_create_pkg命令，用法是：
catkin_create_pkg package depends
其中package是包名，depends是依赖的包名，可以依赖多个软件包。例如，新建一个package叫做
test_pkg,依赖roscpp、rospy、std_msgs(常用依赖)。这样就会在当前路径下新建
test_pkg软件包，包括：catkin_create_pkg帮你完成了软件包的初始化，填充好了CMakeLists.txt和package.xml，并且将依赖项填进了这两个文件中。5.3. package相关命令
5.3.1. rospack
rospack是对package管理的工具，命令的用法如下：
ROSTOPIC命令 | 作用 |
rospack help | 显示rospack的用法 |
rospack list | 列出本机所有package |
rospack depends [package] | 显示package的依赖包 |
rospack find [package] | 定位某个package |
rospack profile | 刷新所有package的位置记录 |
以上命令如果package缺省，则默认为当前目录(如果当前目录包含package.xml)
5.3.2. roscd
roscd命令类似与Linux系统的cd，改进之处在于roscd可以直接cd到ROS的软件包。ROSTOPIC命令 | 作用 |
roscd [pacakge] | cd到ROS package所在路径 |
5.3.3. rosls
rosls也可以视为Linux指令ls的改进版，可以直接lsROS软件包的内容。ROSLS命令 | 作用 |
rosls [pacakge] | 列出pacakge下的文件 |
5.3.4. rosdep
rosdep是用于管理ROS package依赖项的命令行工具，用法如下：ROSDEP命令 | 作用 |
rosdep check [pacakge] | 检查package的依赖是否满足 |
rosdep install [pacakge] | 安装pacakge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 |
一个较常使用的命令是
rosdep install --from-paths src --ignore-src --rosdistro=kinetic -y,用于安装工作空间中src路径下所有package的依赖项（由pacakge.xml文件指定）。6. CMakeLists.txt
6.1. CMakeLists.txt作用
CMakeLists.txt原本是Cmake编译系统的规则文件，而Catkin编译系统基本沿用了CMake的编译风格，只是针对ROS工程添加了一些宏定义。所以在写法上，catkin的CMakeLists.txt与CMake的基本一致。这个文件直接规定了这个package要依赖哪些package，要编译生成哪些目标，如何编译等等流程。所以
CMakeLists.txt非常重要，它指定了由源码到目标文件的规则，catkin编译系统在工作时首先会找到每个package下的CMakeLists.txt，然后按照规则来编译构建。6.2. CMakeLists.txt写法
CMakeLists.txt的基本语法都还是按照CMake，而Catkin在其中加入了少量的宏，总体的结构如下：如果你从未接触过CMake的语法，请阅读《CMake实践》：https://github.com/Akagi201/learning-cmake/blob/master/docs/cmake-practice.pdf 。掌握CMake语法对于理解ROS工程很有帮助。
7. package.xml
package.xml也是一个catkin的package必备文件，它是这个软件包的描述文件，在较早的ROS版本(rosbuild编译系统)中，这个文件叫做manifest.xml，用于描述pacakge的基本信息。如果你在网上看到一些ROS项目里包含着manifest.xml，那么它多半是hydro版本之前的项目了。7.1. package.xml作用
pacakge.xml包含了package的名称、版本号、内容描述、维护人员、软件许可、编译构建工具、编译依赖、运行依赖等信息。
实际上rospack find、rosdep等命令之所以能快速定位和分析出package的依赖项信息，就是直接读取了每一个pacakge中的package.xml文件。它为用户提供了快速了解一个pacakge的渠道。7.2. package.xml写法
pacakge.xml遵循xml标签文本的写法，由于版本更迭原因，现在有两种格式并存（format1与format2），不过区别不大。老版本（format1）的pacakge.xml通常包含以下标签:说明：其中1-6为必备标签，1是根标签，嵌套了其余的所有标签，2-6为包的各种属性，7-9为编译相关信息。
在新版本（format2）中，包含的标签为：
由此看见新版本的
pacakge.xml格式上增加了 、、、 ,相当于将之前的build和run依赖项描述进行了细分。目前Indigo、Kinetic、Lunar等版本的ROS都同时支持两种版本的
package.xml，所以无论选哪种格式都可以。7.3. pacakge.xml例子
为了说明pacakge.xml写法，还是以turtlesim软件包为例，其
pacakge.xml文件内容如下，我们添加了相关的注释：以上内容是老版本（format1）的写法，如果要写成新版本（format2）则可以改为：
8. Metapackage
8.1. Metapackage介绍
在一些ROS的教学资料和博客里，你可能还会看到一个Stack（功能包集）的概念，它指的是将多个功能接近、甚至相互依赖的软件包的放到一个集合中去。但Stack这个概念在Hydro之后就取消了，取而代之的就是Metapackage。尽管换了个马甲，但它的作用没变，都是把一些相近的功能模块、软件包放到一起。
ROS里常见的Metapacakge有：
METAPACAKGE名称 | 描述 | 链接 |
navigation | 导航相关的功能包集 | |
moveit | 运动规划相关的（主要是机械臂）功能包集 | |
image_pipeline | 图像获取、处理相关的功能包集 | |
vision_opencv | ROS与OpenCV交互的功能包集 | |
turtlebot | Turtlebot机器人相关的功能包集 | |
pr2_robot | pr2机器人驱动功能包集 | |
... | ... | ... |
以上列举了一些常见的功能包集，例如navigation、turtlebot，他们都是用于某一方面的功能，以navigation metapackage（官方介绍里仍然沿用stack的叫法）为例，它包括了以下软件包：
包名 | 功能 | ㅤ |
navigation | Metapacakge，依赖以下所有pacakge | ㅤ |
amcl | 定位 | ㅤ |
fake_localization | 定位 | ㅤ |
map_server | 提供地图 | ㅤ |
move_base | 路径规划节点 | ㅤ |
nav_core | 路径规划的接口类 | ㅤ |
base_local_planner | 局部规划 | ㅤ |
dwa_local_planner | 局部规划 | ㅤ |
... | ... | ... |
具体功能介绍，我们留到第九章，这里只看一个软件包navigation。这个navigation就是一个简单的pacakge，里面只有几个文件，但由于它依赖了其他所有的软件包。Catkin编译系统会明白，这些软件包都属于navigation metapacakge。
这个道理并不难理解，比如我们在安装ROS时，用到了
sudo apt-get install ros-kinetic-desktop-full命令，由于它依赖了ROS所有的核心组件，我们在安装时也就能够安装整个ROS。8.2. Metapackage写法
我们以ROS-Academy-for-beginners为例介绍meteapckage的写法，在教学包内，有一个
ros-academy-for-beginners软件包，该包即为一个metapacakge，其中有且仅有两个文件：CMakeLists.txt和pacakge.xml。CMakeLists.txt写法如下：pacakge.xml写法如下：metapacakge中的以上两个文件和普通pacakge不同点是：
CMakeLists.txt:加入了catkin_metapackage()宏，指定本软件包为一个metapacakge。
package.xml:标签将所有软件包列为依赖项，标签中添加标签声明。
metapacakge在我们实际开发一个大工程时可能有用
9. 其他常见文件类型
在ROS的pacakge中，还有其他许多常见的文件类型，这里做个总结。
9.1. launch文件
launch文件一般以.launch或.xml结尾，它对ROS需要运行程序进行了打包，通过一句命令来启动。一般launch文件中会指定要启动哪些package下的哪些可执行程序，指定以什么参数启动，以及一些管理控制的命令。 launch文件通常放在软件包的
launch/路径中中。 launch文件的具体写法见3.2节。9.2. msg/srv/action文件
ROS程序中有可能有一些自定义的消息/服务/动作文件，为程序的发者所设计的数据结构，这类的文件以
.msg.srv.action结尾，通常放在package的msg/srv/action/路径下。msg文件写法见3.4节，srv文件写法见3.6节。
9.3. urdf/xacro文件
urdf/xacro文件是机器人模型的描述文件，以.urdf或.xacro结尾。它定义了机器人的连杆和关节的信息，以及它们之间的位置、角度等信息，通过urdf文件可以将机器人的物理连接信息表示出来。并在可视化调试和仿真中显示。
urdf文件的写法见第七章。
9.4. yaml文件
yaml文件一般存储了ROS需要加载的参数信息，一些属性的配置。通常在launch文件或程序中读取.yaml文件，把参数加载到参数服务器上。通常我们会把yaml文件存放在
param/路径下9.5. dae/stl文件
dae或stl文件是3D模型文件，机器人的urdf或仿真环境通常会引用这类文件，它们描述了机器人的三维模型。相比urdf文件简单定义的性状，dae/stl文件可以定义复杂的模型，可以直接从solidworks或其他建模软件导出机器人装配模型，从而显示出更加精确的外形。
9.6. rviz文件
rviz文件本质上是固定格式的文本文件，其中存储了RViz窗口的配置（显示哪些控件、视角、参数）。通常rviz文件不需要我们去手动修改，而是直接在RViz工具里保存，下次运行时直接读取。
