【机器人】—— 3. ROS 架构 & 文件系统

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。

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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)

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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。

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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...

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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。

WorkSpace --- 自定义的工作空间

    |--- 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。

    |--- 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。

    |--- src: 源码

        |-- 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

            |-- CMakeLists.txt 配置编译规则，比如源文件、依赖项、目标文件

            |-- package.xml 包信息，比如:包名、版本、作者、依赖项...(以前版本是 manifest.xml)

            |-- scripts 存储python文件

            |-- src 存储C++源文件

            |-- include 头文件

            |-- msg 消息通信格式文件

            |-- srv 服务通信格式文件

            |-- action 动作格式文件

            |-- launch 可一次性运行多个节点 

            |-- config 配置信息

        |-- CMakeLists.txt: 编译的基本配置

　　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。

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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。

​<?xml version="1.0"?>
<!-- 格式: 以前是 1，推荐使用格式 2 -->
<package format="2">
  <!-- 包名 -->
  <name>demo01_hello_vscode</name>
  <!-- 版本 -->
  <version>0.0.0</version>
  <!-- 描述信息 -->
  <description>The demo01_hello_vscode package</description>

  <!-- One maintainer tag required, multiple allowed, one person per tag -->
  <!-- Example:  -->
  <!-- <maintainer email="jane.doe@example.com">Jane Doe</maintainer> -->
  <!-- 维护人员 -->
  <maintainer email="xuzuo@todo.todo">xuzuo</maintainer>

  <!-- One license tag required, multiple allowed, one license per tag -->
  <!-- Commonly used license strings: -->
  <!--   BSD, MIT, Boost Software License, GPLv2, GPLv3, LGPLv2.1, LGPLv3 -->
  <!-- 许可证信息，ROS核心组件默认 BSD -->
  <license>TODO</license>

  <!-- Url tags are optional, but multiple are allowed, one per tag -->
  <!-- Optional attribute type can be: website, bugtracker, or repository -->
  <!-- Example: -->
  <!-- <url type="website">http://wiki.ros.org/demo01_hello_vscode</url> -->

  <!-- Author tags are optional, multiple are allowed, one per tag -->
  <!-- Authors do not have to be maintainers, but could be -->
  <!-- Example: -->
  <!-- <author email="jane.doe@example.com">Jane Doe</author> -->

  <!-- The *depend tags are used to specify dependencies -->
  <!-- Dependencies can be catkin packages or system dependencies -->
  <!-- Examples: -->
  <!-- Use depend as a shortcut for packages that are both build and exec dependencies -->
  <!--   <depend>roscpp</depend> -->
  <!--   Note that this is equivalent to the following: -->
  <!--   <build_depend>roscpp</build_depend> -->
  <!--   <exec_depend>roscpp</exec_depend> -->
  <!-- Use build_depend for packages you need at compile time: -->
  <!--   <build_depend>message_generation</build_depend> -->
  <!-- Use build_export_depend for packages you need in order to build against this package: -->
  <!--   <build_export_depend>message_generation</build_export_depend> -->
  <!-- Use buildtool_depend for build tool packages: -->
  <!--   <buildtool_depend>catkin</buildtool_depend> -->
  <!-- Use exec_depend for packages you need at runtime: -->
  <!--   <exec_depend>message_runtime</exec_depend> -->
  <!-- Use test_depend for packages you need only for testing: -->
  <!--   <test_depend>gtest</test_depend> -->
  <!-- Use doc_depend for packages you need only for building documentation: -->
  <!--   <doc_depend>doxygen</doc_depend> -->
  <!-- 依赖的构建工具，这是必须的 -->
  <buildtool_depend>catkin</buildtool_depend>

  <!-- 指定构建此软件包所需的软件包 -->
  <build_depend>roscpp</build_depend>
  <build_depend>rospy</build_depend>
  <build_depend>std_msgs</build_depend>

  <!-- 指定根据这个包构建库所需要的包 -->
  <build_export_depend>roscpp</build_export_depend>
  <build_export_depend>rospy</build_export_depend>
  <build_export_depend>std_msgs</build_export_depend>

  <!-- 运行该程序包中的代码所需的程序包 -->
  <exec_depend>roscpp</exec_depend>
  <exec_depend>rospy</exec_depend>
  <exec_depend>std_msgs</exec_depend>

  <!-- The export tag contains other, unspecified, tags -->
  <export>
    <!-- Other tools can request additional information be placed here -->

  </export>
</package>

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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。

​cmake_minimum_required(VERSION 3.0.2) #所需 cmake 版本
project(demo01_hello_vscode) #包名称，会被 ${PROJECT_NAME} 的方式调用

## Compile as C++11, supported in ROS Kinetic and newer
# add_compile_options(-std=c++11)

## Find catkin macros and libraries
## if COMPONENTS list like find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS xyz)
## is used, also find other catkin packages
#设置构建所需要的软件包
find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS
  roscpp
  rospy
  std_msgs
)

## System dependencies are found with CMake's conventions
#默认添加系统依赖
# find_package(Boost REQUIRED COMPONENTS system)

## Uncomment this if the package has a setup.py. This macro ensures
## modules and global scripts declared therein get installed
## See http://ros.org/doc/api/catkin/html/user_guide/setup_dot_py.html
# 启动 python 模块支持
# catkin_python_setup()

################################################
## Declare ROS messages, services and actions ##
## 声明 ROS 消息、服务、动作... ##
################################################

## To declare and build messages, services or actions from within this
## package, follow these steps:
## * Let MSG_DEP_SET be the set of packages whose message types you use in
##   your messages/services/actions (e.g. std_msgs, actionlib_msgs, ...).
## * In the file package.xml:
##   * add a build_depend tag for "message_generation"
##   * add a build_depend and a exec_depend tag for each package in MSG_DEP_SET
##   * If MSG_DEP_SET isn't empty the following dependency has been pulled in
##     but can be declared for certainty nonetheless:
##     * add a exec_depend tag for "message_runtime"
## * In this file (CMakeLists.txt):
##   * add "message_generation" and every package in MSG_DEP_SET to
##     find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS ...)
##   * add "message_runtime" and every package in MSG_DEP_SET to
##     catkin_package(CATKIN_DEPENDS ...)
##   * uncomment the add_*_files sections below as needed
##     and list every .msg/.srv/.action file to be processed
##   * uncomment the generate_messages entry below
##   * add every package in MSG_DEP_SET to generate_messages(DEPENDENCIES ...)

## Generate messages in the 'msg' folder
# add_message_files(
#   FILES
#   Message1.msg
#   Message2.msg
# )

## Generate services in the 'srv' folder
# add_service_files(
#   FILES
#   Service1.srv
#   Service2.srv
# )

## Generate actions in the 'action' folder
# add_action_files(
#   FILES
#   Action1.action
#   Action2.action
# )

## Generate added messages and services with any dependencies listed here
# 生成消息、服务时的依赖包
# generate_messages(
#   DEPENDENCIES
#   std_msgs
# )

################################################
## Declare ROS dynamic reconfigure parameters ##
## 声明 ROS 动态参数配置 ##
################################################

## To declare and build dynamic reconfigure parameters within this
## package, follow these steps:
## * In the file package.xml:
##   * add a build_depend and a exec_depend tag for "dynamic_reconfigure"
## * In this file (CMakeLists.txt):
##   * add "dynamic_reconfigure" to
##     find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS ...)
##   * uncomment the "generate_dynamic_reconfigure_options" section below
##     and list every .cfg file to be processed

## Generate dynamic reconfigure parameters in the 'cfg' folder
# generate_dynamic_reconfigure_options(
#   cfg/DynReconf1.cfg
#   cfg/DynReconf2.cfg
# )

###################################
## catkin specific configuration ##
## catkin 特定配置##
###################################
## The catkin_package macro generates cmake config files for your package
## Declare things to be passed to dependent projects
## INCLUDE_DIRS: uncomment this if your package contains header files
## LIBRARIES: libraries you create in this project that dependent projects also need
## CATKIN_DEPENDS: catkin_packages dependent projects also need
## DEPENDS: system dependencies of this project that dependent projects also need
# 运行时依赖
catkin_package(
#  INCLUDE_DIRS include
#  LIBRARIES demo01_hello_vscode
#  CATKIN_DEPENDS roscpp rospy std_msgs
#  DEPENDS system_lib
)

###########
## Build ##
###########

## Specify additional locations of header files
## Your package locations should be listed before other locations
# 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
include_directories(
# include
  ${catkin_INCLUDE_DIRS}
)

## Declare a C++ library
# 声明 C++ 库
# add_library(${PROJECT_NAME}
#   src/${PROJECT_NAME}/demo01_hello_vscode.cpp
# )

## Add cmake target dependencies of the library
## as an example, code may need to be generated before libraries
## either from message generation or dynamic reconfigure
# 添加库的 cmake 目标依赖
# add_dependencies(${PROJECT_NAME} ${${PROJECT_NAME}_EXPORTED_TARGETS} ${catkin_EXPORTED_TARGETS})

## Declare a C++ executable
## With catkin_make all packages are built within a single CMake context
## The recommended prefix ensures that target names across packages don't collide
# 声明 C++ 可执行文件
add_executable(Hello_VSCode src/Hello_VSCode.cpp)

## Rename C++ executable without prefix
## The above recommended prefix causes long target names, the following renames the
## target back to the shorter version for ease of user use
## e.g. "rosrun someones_pkg node" instead of "rosrun someones_pkg someones_pkg_node"
#重命名c++可执行文件
# set_target_properties(${PROJECT_NAME}_node PROPERTIES OUTPUT_NAME node PREFIX "")

## Add cmake target dependencies of the executable
## same as for the library above
#添加可执行文件的 cmake 目标依赖
add_dependencies(Hello_VSCode ${${PROJECT_NAME}_EXPORTED_TARGETS} ${catkin_EXPORTED_TARGETS})

## Specify libraries to link a library or executable target against
#指定库、可执行文件的链接库
target_link_libraries(Hello_VSCode
  ${catkin_LIBRARIES}
)

#############
## Install ##
## 安装 ##
#############

# all install targets should use catkin DESTINATION variables
# See http://ros.org/doc/api/catkin/html/adv_user_guide/variables.html

## Mark executable scripts (Python etc.) for installation
## in contrast to setup.py, you can choose the destination
#设置用于安装的可执行脚本
catkin_install_python(PROGRAMS
  scripts/Hi.py
  DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_BIN_DESTINATION}
)

## Mark executables for installation
## See http://docs.ros.org/melodic/api/catkin/html/howto/format1/building_executables.html
# install(TARGETS ${PROJECT_NAME}_node
#   RUNTIME DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_BIN_DESTINATION}
# )

## Mark libraries for installation
## See http://docs.ros.org/melodic/api/catkin/html/howto/format1/building_libraries.html
# install(TARGETS ${PROJECT_NAME}
#   ARCHIVE DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_LIB_DESTINATION}
#   LIBRARY DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_LIB_DESTINATION}
#   RUNTIME DESTINATION ${CATKIN_GLOBAL_BIN_DESTINATION}
# )

## Mark cpp header files for installation
# install(DIRECTORY include/${PROJECT_NAME}/
#   DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_INCLUDE_DESTINATION}
#   FILES_MATCHING PATTERN "*.h"
#   PATTERN ".svn" EXCLUDE
# )

## Mark other files for installation (e.g. launch and bag files, etc.)
# install(FILES
#   # myfile1
#   # myfile2
#   DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_SHARE_DESTINATION}
# )

#############
## Testing ##
#############

## Add gtest based cpp test target and link libraries
# catkin_add_gtest(${PROJECT_NAME}-test test/test_demo01_hello_vscode.cpp)
# if(TARGET ${PROJECT_NAME}-test)
#   target_link_libraries(${PROJECT_NAME}-test ${PROJECT_NAME})
# endif()

## Add folders to be run by python nosetests
# catkin_add_nosetests(test)

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。

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3.1 增

　　创建新的 ROS 功能包：

catkin_create_pkg 自定义包名 依赖包

　　安装 ROS 功能包：

sudo apt install xxx

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3.2 删

　　删除某个功能包：

sudo apt purge xxx

---

3.3 查

　　列出所有功能包：

rospack list

　　查找某个功能包是否存在，如果存在返回安装路径：

rospack find 包名

　　进入某个功能包：

roscd 包名

　　列出某个包下的文件：

rosls 包名

　　搜索某个功能包：

apt search xxx

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3.4 改

　　修改功能包文件：

rosed 包名 文件名

　　☂ 需要安装 vim

　　使用实例： rosed turtlesim Color.msg

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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:

roscore

# 或(指定端口号)
roscore -p xxxx

3.5.2 rosrun

　　运行指定的 ROS 节点：

rosrun 包名 可执行文件名

　　示例： rosrun turtlesim turtlesim_node

3.5.3 roslaunch

　　执行某个包下的 launch 文件：

roslaunch 包名 launch文件名

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。

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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：

rosrun rqt_graph rqt_graph

　　如果未安装，则在终端（terminal）中输入：

$ sudo apt install ros-<distro>-rqt

$ sudo apt install ros-<distro>-rqt-common-plugins

　　使用你的 ROS 版本名称（比如：kinetic、melodic、Noetic 等）来替换掉 <distro>。

　　例如：当前版本是 Noetic，就在终端窗口中输入：

$ sudo apt install ros-noetic-rqt

$ sudo apt install ros-noetic-rqt-common-plugins

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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。