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。
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。
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>
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。
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
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
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
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。
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
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。
这一切，似未曾拥有