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【机器人】—— 3. ROS 架构 & 文件系统

卢铃语 3 天前
1. ROS 架构

　　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。
　　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。
 
1.1 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)
 
1.2 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。
 
1.3 系统架构

　　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。
　　　　　　➹ 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...
 
1.4 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。
　　　　✁ 发行版（Distribution）：ROS 发行版是可以独立安装、带有版本号的一系列综合功能包。ROS 发
　　　　　 行版像 Linux 发行版一样发挥类似的作用。这使得 ROS 软件安装更加容易，而且能够通过一个软
　　　　　 件集合维持一致的版本。
　　　　✁ 软件库（Repository）：ROS 依赖于共享开源代码与软件库的网站或主机服务，在这里不同的机构
　　　　　 能够发布和分享各自的机器人软件与程序。
　　　　✁ ROS 维基（ROS Wiki）：ROS Wiki 是用于记录有关 ROS 系统信息的主要论坛。任何人都可以注
　　　　　 册账户、贡献自己的文件、提供更正或更新、编写教程以及其他行为。
　　　　✁ Bug 提交系统（Bug Ticket System）：如果你发现问题或者想提出一个新功能，ROS 提供这个资源
　　　　　 去做这些。
　　　　✁ 邮件列表（Mailing list）：ROS 用户邮件列表是关于 ROS 的主要交流渠道，能够像论坛一样交流
　　　　　 从 ROS 软件更新到 ROS 软件使用中的各种疑问或信息。
　　　　✁ ROS 问答（ROS Answer）：用户可以使用这个资源去提问题。
　　　　✁ 博客（Blog）：你可以看到定期更新、照片和新闻。不过博客系统已经退休，ROS 社区取而代之。
 
2. 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。
1.jpeg
  1. WorkSpace --- 自定义的工作空间
  3.     |--- 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。
  5.     |--- 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。
  7.     |--- src: 源码
  9.         |-- 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
  11.             |-- CMakeLists.txt 配置编译规则，比如源文件、依赖项、目标文件
  13.             |-- package.xml 包信息，比如:包名、版本、作者、依赖项...(以前版本是 manifest.xml)
  15.             |-- scripts 存储python文件
  17.             |-- src 存储C++源文件
  19.             |-- include 头文件
  21.             |-- msg 消息通信格式文件
  23.             |-- srv 服务通信格式文件
  25.             |-- action 动作格式文件
  27.             |-- launch 可一次性运行多个节点
  29.             |-- config 配置信息
  31.         |-- CMakeLists.txt: 编译的基本配置
复制代码
　　ROS 文件系统中部分目录和文件前面编程中已经有所涉及，比如功能包的创建、src 目录下 cpp 文件的编写、scripts 目录下 Python 文件的编写、launch 目录下 launch 文件的编写，并且也配置了 package.xml 与 CMakeLists.txt 文件。
　　当前我们主要介绍: package.xml 与 CMakeLists.txt 这两个配置文件。
 
2.1 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。
  1. ​<?xml version="1.0"?>
  3. <package format="2">
  4.   
  5.   <name>demo01_hello_vscode</name>
  6.   
  7.   <version>0.0.0</version>
  8.   
  9.   <description>The demo01_hello_vscode package</description>
  11.   
  12.   
  13.   
  14.   
  15.   <maintainer email="xuzuo@todo.todo">xuzuo</maintainer>
  18.   
  19.   
  20.   
  21.   
  22.   <license>TODO</license>
  25.   
  26.   
  27.   
  28.   
  31.   
  32.   
  33.   
  34.   
  37.   
  38.   
  39.   
  40.   
  41.   
  42.   
  43.   
  44.   
  45.   
  46.   
  47.   
  48.   
  49.   
  50.   
  51.   
  52.   
  53.   
  54.   
  55.   
  56.   
  57.   
  58.   <buildtool_depend>catkin</buildtool_depend>
  60.   
  61.   <build_depend>roscpp</build_depend>
  62.   <build_depend>rospy</build_depend>
  63.   <build_depend>std_msgs</build_depend>
  65.   
  66.   <build_export_depend>roscpp</build_export_depend>
  67.   <build_export_depend>rospy</build_export_depend>
  68.   <build_export_depend>std_msgs</build_export_depend>
  70.    
  71.   <exec_depend>roscpp</exec_depend>
  72.   <exec_depend>rospy</exec_depend>
  73.   <exec_depend>std_msgs</exec_depend>
  76.   
  77.   <export>
  78.    
  80.   </export>
  81. </package>
复制代码
 
2.2 CMakelists.txt

　　文件 CMakeLists.txt 是 CMake 构建系统的输入，用于构建软件包。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。
  1. ​cmake_minimum_required(VERSION 3.0.2) #所需 cmake 版本
  2. project(demo01_hello_vscode) #包名称，会被 ${PROJECT_NAME} 的方式调用
  4. ## Compile as C++11, supported in ROS Kinetic and newer
  5. # add_compile_options(-std=c++11)
  7. ## Find catkin macros and libraries
  8. ## if COMPONENTS list like find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS xyz)
  9. ## is used, also find other catkin packages
  10. #设置构建所需要的软件包
  11. find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS
  12.   roscpp
  13.   rospy
  14.   std_msgs
  15. )
  17. ## System dependencies are found with CMake's conventions
  18. #默认添加系统依赖
  19. # find_package(Boost REQUIRED COMPONENTS system)
  22. ## Uncomment this if the package has a setup.py. This macro ensures
  23. ## modules and global scripts declared therein get installed
  24. ## See http://ros.org/doc/api/catkin/html/user_guide/setup_dot_py.html
  25. # 启动 python 模块支持
  26. # catkin_python_setup()
  28. ################################################
  29. ## Declare ROS messages, services and actions ##
  30. ## 声明 ROS 消息、服务、动作... ##
  31. ################################################
  33. ## To declare and build messages, services or actions from within this
  34. ## package, follow these steps:
  35. ## * Let MSG_DEP_SET be the set of packages whose message types you use in
  36. ##   your messages/services/actions (e.g. std_msgs, actionlib_msgs, ...).
  37. ## * In the file package.xml:
  38. ##   * add a build_depend tag for "message_generation"
  39. ##   * add a build_depend and a exec_depend tag for each package in MSG_DEP_SET
  40. ##   * If MSG_DEP_SET isn't empty the following dependency has been pulled in
  41. ##     but can be declared for certainty nonetheless:
  42. ##     * add a exec_depend tag for "message_runtime"
  43. ## * In this file (CMakeLists.txt):
  44. ##   * add "message_generation" and every package in MSG_DEP_SET to
  45. ##     find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS ...)
  46. ##   * add "message_runtime" and every package in MSG_DEP_SET to
  47. ##     catkin_package(CATKIN_DEPENDS ...)
  48. ##   * uncomment the add_*_files sections below as needed
  49. ##     and list every .msg/.srv/.action file to be processed
  50. ##   * uncomment the generate_messages entry below
  51. ##   * add every package in MSG_DEP_SET to generate_messages(DEPENDENCIES ...)
  53. ## Generate messages in the 'msg' folder
  54. # add_message_files(
  55. #   FILES
  56. #   Message1.msg
  57. #   Message2.msg
  58. # )
  60. ## Generate services in the 'srv' folder
  61. # add_service_files(
  62. #   FILES
  63. #   Service1.srv
  64. #   Service2.srv
  65. # )
  67. ## Generate actions in the 'action' folder
  68. # add_action_files(
  69. #   FILES
  70. #   Action1.action
  71. #   Action2.action
  72. # )
  74. ## Generate added messages and services with any dependencies listed here
  75. # 生成消息、服务时的依赖包
  76. # generate_messages(
  77. #   DEPENDENCIES
  78. #   std_msgs
  79. # )
  81. ################################################
  82. ## Declare ROS dynamic reconfigure parameters ##
  83. ## 声明 ROS 动态参数配置 ##
  84. ################################################
  86. ## To declare and build dynamic reconfigure parameters within this
  87. ## package, follow these steps:
  88. ## * In the file package.xml:
  89. ##   * add a build_depend and a exec_depend tag for "dynamic_reconfigure"
  90. ## * In this file (CMakeLists.txt):
  91. ##   * add "dynamic_reconfigure" to
  92. ##     find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS ...)
  93. ##   * uncomment the "generate_dynamic_reconfigure_options" section below
  94. ##     and list every .cfg file to be processed
  96. ## Generate dynamic reconfigure parameters in the 'cfg' folder
  97. # generate_dynamic_reconfigure_options(
  98. #   cfg/DynReconf1.cfg
  99. #   cfg/DynReconf2.cfg
  100. # )
  102. ###################################
  103. ## catkin specific configuration ##
  104. ## catkin 特定配置##
  105. ###################################
  106. ## The catkin_package macro generates cmake config files for your package
  107. ## Declare things to be passed to dependent projects
  108. ## INCLUDE_DIRS: uncomment this if your package contains header files
  109. ## LIBRARIES: libraries you create in this project that dependent projects also need
  110. ## CATKIN_DEPENDS: catkin_packages dependent projects also need
  111. ## DEPENDS: system dependencies of this project that dependent projects also need
  112. # 运行时依赖
  113. catkin_package(
  114. #  INCLUDE_DIRS include
  115. #  LIBRARIES demo01_hello_vscode
  116. #  CATKIN_DEPENDS roscpp rospy std_msgs
  117. #  DEPENDS system_lib
  118. )
  120. ###########
  121. ## Build ##
  122. ###########
  124. ## Specify additional locations of header files
  125. ## Your package locations should be listed before other locations
  126. # 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
  127. include_directories(
  128. # include
  129.   ${catkin_INCLUDE_DIRS}
  130. )
  132. ## Declare a C++ library
  133. # 声明 C++ 库
  134. # add_library(${PROJECT_NAME}
  135. #   src/${PROJECT_NAME}/demo01_hello_vscode.cpp
  136. # )
  138. ## Add cmake target dependencies of the library
  139. ## as an example, code may need to be generated before libraries
  140. ## either from message generation or dynamic reconfigure
  141. # 添加库的 cmake 目标依赖
  142. # add_dependencies(${PROJECT_NAME} ${${PROJECT_NAME}_EXPORTED_TARGETS} ${catkin_EXPORTED_TARGETS})
  144. ## Declare a C++ executable
  145. ## With catkin_make all packages are built within a single CMake context
  146. ## The recommended prefix ensures that target names across packages don't collide
  147. # 声明 C++ 可执行文件
  148. add_executable(Hello_VSCode src/Hello_VSCode.cpp)
  150. ## Rename C++ executable without prefix
  151. ## The above recommended prefix causes long target names, the following renames the
  152. ## target back to the shorter version for ease of user use
  153. ## e.g. "rosrun someones_pkg node" instead of "rosrun someones_pkg someones_pkg_node"
  154. #重命名c++可执行文件
  155. # set_target_properties(${PROJECT_NAME}_node PROPERTIES OUTPUT_NAME node PREFIX "")
  157. ## Add cmake target dependencies of the executable
  158. ## same as for the library above
  159. #添加可执行文件的 cmake 目标依赖
  160. add_dependencies(Hello_VSCode ${${PROJECT_NAME}_EXPORTED_TARGETS} ${catkin_EXPORTED_TARGETS})
  162. ## Specify libraries to link a library or executable target against
  163. #指定库、可执行文件的链接库
  164. target_link_libraries(Hello_VSCode
  165.   ${catkin_LIBRARIES}
  166. )
  168. #############
  169. ## Install ##
  170. ## 安装 ##
  171. #############
  173. # all install targets should use catkin DESTINATION variables
  174. # See http://ros.org/doc/api/catkin/html/adv_user_guide/variables.html
  176. ## Mark executable scripts (Python etc.) for installation
  177. ## in contrast to setup.py, you can choose the destination
  178. #设置用于安装的可执行脚本
  179. catkin_install_python(PROGRAMS
  180.   scripts/Hi.py
  181.   DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_BIN_DESTINATION}
  182. )
  184. ## Mark executables for installation
  185. ## See http://docs.ros.org/melodic/api/catkin/html/howto/format1/building_executables.html
  186. # install(TARGETS ${PROJECT_NAME}_node
  187. #   RUNTIME DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_BIN_DESTINATION}
  188. # )
  190. ## Mark libraries for installation
  191. ## See http://docs.ros.org/melodic/api/catkin/html/howto/format1/building_libraries.html
  192. # install(TARGETS ${PROJECT_NAME}
  193. #   ARCHIVE DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_LIB_DESTINATION}
  194. #   LIBRARY DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_LIB_DESTINATION}
  195. #   RUNTIME DESTINATION ${CATKIN_GLOBAL_BIN_DESTINATION}
  196. # )
  198. ## Mark cpp header files for installation
  199. # install(DIRECTORY include/${PROJECT_NAME}/
  200. #   DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_INCLUDE_DESTINATION}
  201. #   FILES_MATCHING PATTERN "*.h"
  202. #   PATTERN ".svn" EXCLUDE
  203. # )
  205. ## Mark other files for installation (e.g. launch and bag files, etc.)
  206. # install(FILES
  207. #   # myfile1
  208. #   # myfile2
  209. #   DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_SHARE_DESTINATION}
  210. # )
  212. #############
  213. ## Testing ##
  214. #############
  216. ## Add gtest based cpp test target and link libraries
  217. # catkin_add_gtest(${PROJECT_NAME}-test test/test_demo01_hello_vscode.cpp)
  218. # if(TARGET ${PROJECT_NAME}-test)
  219. #   target_link_libraries(${PROJECT_NAME}-test ${PROJECT_NAME})
  220. # endif()
  222. ## Add folders to be run by python nosetests
  223. # catkin_add_nosetests(test)
复制代码
 
3. 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。
 
3.1 增

　　创建新的 ROS 功能包：
  1. catkin_create_pkg 自定义包名 依赖包
复制代码
　　安装 ROS 功能包：
  1. sudo apt install xxx
复制代码
 
3.2 删

　　删除某个功能包：
  1. sudo apt purge xxx
复制代码
 
3.3 查

　　列出所有功能包：
  1. rospack list
复制代码
　　查找某个功能包是否存在，如果存在返回安装路径：
  1. rospack find 包名
复制代码
　　进入某个功能包：
  1. roscd 包名
复制代码
　　列出某个包下的文件：
  1. rosls 包名
复制代码
　　搜索某个功能包：
  1. apt search xxx
复制代码
 
3.4 改

　　修改功能包文件：
  1. rosed 包名 文件名
复制代码
　　☂ 需要安装 vim
　　使用实例： rosed turtlesim Color.msg 
 
3.5 执行

3.5.1 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 命令将启动:
　　　　➹ ros master
　　　　➹ ros 参数服务器
　　　　➹ rosout 日志节点
　　用法:
  1. roscore
  3. # 或(指定端口号)
  4. roscore -p xxxx
复制代码
3.5.2 rosrun

　　运行指定的 ROS 节点：
  1. rosrun 包名 可执行文件名
复制代码
　　示例： rosrun turtlesim turtlesim_node 
3.5.3 roslaunch

　　执行某个包下的 launch 文件：
  1. roslaunch 包名 launch文件名
复制代码
 
4. ROS 计算图

4.1 计算图简介

　　上面介绍的 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。
 
4.2 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：
  1. rosrun rqt_graph rqt_graph
复制代码
　　如果未安装，则在终端（terminal）中输入：
  1. $ sudo apt install ros-<distro>-rqt
  3. $ sudo apt install ros-<distro>-rqt-common-plugins
复制代码
　　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. $ sudo apt install ros-noetic-rqt
  3. $ sudo apt install ros-noetic-rqt-common-plugins
复制代码
 
4.3 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。
2.jpeg

 

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卢铃语
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