ROS 机器人操作系统进阶实战

ROS(Robot Operating System) 是一个开源的机器人操作系统，目的是提供开发平台、工具及生态给开发人员，可以让开发人员快速开发。本课程通过精心设计的案例，分析技术要点、理解运行原理，以达到举一反三的效果，从而应用到自己的机器人开发工作中去。

本课程将详细介绍 ROS 的使用，课程包括了 Topic 通讯，Service 通讯，ROS 自定义消息，URDF可视化，TF坐标转换等技术要点。每个技术点都会结合例子先把原理讲解清楚，为了达到学以致用的目的，我们会再进行知识拓展，针对每个技术点实现对应的生动有趣的需求，保证学完后会有很大的收获。

实验介绍

在进行 ROS 项目开发前，首先介绍下整个 ROS 项目在部署运行过程中分为几个部分，以及了解工程结构中 Workspace、Package、Node 它们之间的包含关系。

知识点

• 架构介绍
• 文件目录结构
• Workspace 创建
• Package 创建

架构介绍

系统基本架构

总体来说，整个 ROS 项目在部署运行过程中，分为以下几个部分：

• 环境
  包含硬件环境和软件环境。通常一个 ROS 机器人，需要一个开发主板用于运算和控制操作。

例如我们用树莓派作为开发板，用于机器人的运算和控制操作，那么这就是软件所运行的硬件环境。当然开发板上可能会外接一些其它硬件，如摄像头，那么这些也属于硬件环境。

开发板上通常需要有操作系统，所装的操作系统属于软件环境。

• 执行器
  执行器的主要作用是给操作系统发送一些指令，通过指令去控制硬件操作。例如发送指令给开发板，让开发板外接的舵机转动，然后驱动物体运动。执行器更像是硬件驱动的输入。

• 传感器
  在硬件环境中，可能会安装一些环境探测的硬件，例如温度感应器。这些硬件感应器会将感觉的数据发布出来，传感器其实扮演的就是这些硬件发布数据的传播者，更像是硬件驱动的输出。

• 软件结构
  这里所说的软件结构是指，ROS 机器人运行时部署的软件及软件间的关系。

机器人运行起来后，内部会有很多单元程序运行，每个单元程序做很小的事情。比如读取硬件驱动传递的数据、处理读取的数据、判断数据、发出指令等。

总之，ROS 将复杂的程序分解成了很小的一部分，每部分干很少的活，这样每个部分还可以复用。

ROS 软件结构组成

我们开发的每个节点都需要到 ROS Master 中去注册，如下图所示：

ROS Master：

• 管理 Node 节点间的通讯。
• 每个 Node 节点都需要到 Ros Master 中进行注册。

启动节点前，必须启动 ROS Master。命令为 roscore。

ROS Node：
我们在 ROS 中所做的其实就是开发节点工作：

• 具备单一功能的可执行程序。
• 可以单独编译，可执行，可管理。
• 存放在 package 中。

文件系统

工作目录结构

Workspace、Package、Node 是工程结构中的几个关键词，也是核心概念。以下图片展示了三者之间的关系：

标准的 Workspace 工作目录结构如下：

工作目录理解

类似在企业中通过部门管理员工，俗话说人多瞎胡乱、鸡多不下蛋。一旦项目变得复杂后，组织结构化和规范化就变得非常重要。

工作目录说明

我们在开发一个 ROS 项目时，是以工作空间（workspace）来表示一个项目，一个工作空间包含如下 5 个部分：

• build：ROS 编译打包的结果产出目录。我们不需要对这个文件夹做任何编辑操作，属于自动生成。
• devel：开发所需要的目录。
• src：存放 package 的目录。
• CMakeLists.txt：整个工作空间编译的脚本。此文件我们通常不用修改。
• package：工作单元。

一个项目可以创建多个工作单元（package），一个工作单元包含如下几个部分：

• pkg1：package 的名称，开发过程中根据自己实际情况进行创建设定。
• CMakeLists.txt：当前 package 的编译脚本。通常需要为 c++ 代码添加编译时的依赖、执行等操作。
• package.xml：package 相关信息。通常添加一些 ros 库的支持。
• include 文件夹：存放 c++ 头文件。
• config 文件夹：存放参数配置文件，格式为 yaml。
• launch 文件夹：存放 .launch 文件。
• src：c++ 源代码。
• scripts：Python 源代码。
• srv：存放定义的 service。
• msg：存放自定义的消息协议。
• action：存放自定义的 action。

实验总结

通过上面的实验，我们熟悉了 ROS 的系统架构以及 ROS 文件系统层次中的关键概念，并讲解了 Clion Python 环境的搭建与配置，使我们更加清晰的了解 ROS 的运行机制、能够更高效的编写程序。

本实验完整代码下载：

wget https://labfile.oss.aliyuncs.com/courses/2947/code1.tar.gz
# 解压缩，使用如下命令
tar -zxf code1.tar.gz

以上选自新课《ROS 机器人操作系统进阶实战》第一章，感兴趣的话点击链接查看课程了解详情哦！