ROS学习——（一）ROS总体架构

对于第一次接触ros的初学者来说，首先一个问题应该是ros究竟是什么，所谓的机器人操作系统究竟由什么，接下来将由整个系统的结构开始我们的学习。
（我的笔记更倾向于大致梗概的分点记录，对于详细连续的知识可能看技术手册会更好）

分层视图

可以将 ROS 的核心功能大致分为 三层 或 四层 来理解（并非官方严格定义，只是便于系统化理解）：

1. 基础层（操作系统 & 驱动）

   • 处于 Linux 内核 / 操作系统 层以及硬件驱动层，例如：
     • Ubuntu (或其他 Linux 发行版)，其上提供了常见的 POSIX 接口；
     • 硬件驱动、传感器驱动、外设接口等。
   • 这层主要负责与真实硬件打交道，向上提供系统调用、网络协议栈（TCP/UDP）、文件系统等基础服务。

2. 核心通信层（ROS Master & Client Libraries）

   • ROS Master（roscore）：
     • 负责节点注册、话题命名、服务名解析等，充当“节点发现/目录服务”。
     • 并 不直接转发 所有消息，而是让节点之间通过点对点连接进行数据流动。
   • Client Libraries：
     • 诸如 roscpp（C++ 版）、rospy（Python 版）、roslisp 等，为节点与 Master 交互、话题/服务通信提供 API 封装；
     • 这一层为开发者隐藏了网络编程细节，并提供了统一的消息序列化/反序列化接口。

3. 功能节点层（Nodes & Packages）

   • 功能节点（Node）：
     • 每个节点对应一个 独立进程，完成单一功能（如激光雷达数据采集、SLAM、路径规划、控制器等）；
     • 彼此通过 Topic、Service、Action 进行数据交换或远程调用。
   • Packages：
     • ROS 里将相关节点、消息类型、配置文件、脚本等，按功能打包成独立的 software package；
     • 包管理依赖关系（如 roscpp, std_msgs 等）。

4. 工具/应用层（Tools & Utilities）

   • catkin：用于构建、依赖管理；
   • roslaunch：启动/管理多个节点；
   • rviz、rqt 等可视化、调试、监控工具；
   • rosbag：数据记录与回放；
   • tf：坐标变换系统等。
   • 这些工具帮助开发者在 上层 处理可视化、数据录制、可视化调试和项目管理等工作。

核心组件

如果说分层结构是一层一层楼，那么核心组件就是大楼中实行各个事务的人以及单位

1. ROS Master (roscore)

   • ROS 系统的“中心登记处”（Service Registry），负责管理/记录各个节点的名字、话题（Topic）、服务（Service）等信息。
   • 当节点想要建立连接（比如发布或订阅一个话题）时，需要先向 Master 注册并查询对方的地址。
   • 一般通过命令 roscore 来启动，会包含 rosmaster、rosout、parameter server 三部分。

2. ROS Node（节点）

   • ROS 应用中的最小执行单位，每个独立的进程都是一个节点。
   • 节点通常只负责单一功能（单一职责），多个节点相互协作完成复杂任务。
   • 在 C++/Python 代码中，通过 ros::init 初始化一个节点，再由 ros::NodeHandle 与 Master 进行注册通信。

3. Parameter Server（参数服务器）

   • 由 Master 管理的一个共享字典，用于存储和检索参数。
   • 可以使用命令 rosparam set/get 或者 API（C++/Python）来读写这些参数。

4. Topic（话题）

   • ROS 中最常用的数据通信机制：基于 发布-订阅（Publish-Subscribe） 模型的消息流。
   • 一个节点可以发布某个话题（并指定消息类型），另一个节点可以订阅相同的话题，从而接收消息。
   • 例如：激光雷达节点发布 /scan 话题，SLAM 节点订阅 /scan 进行数据处理。

5. Service（服务）

   • 类似远程过程调用（RPC）的通信机制：基于 请求-响应（Request-Reply）。
   • Service Server 等待请求，一旦接收到请求，就处理并返回响应。
   • 例如：平时可能有一个节点提供 add_two_ints 服务，客户端给它发两个整数，它返回加和结果。

6. Action（动作）

   • 处理 长时间异步任务 的一种机制：可以在执行过程中提供反馈和取消操作。
   • 例如：移动机器人规划路径到某个目标点需要一定时间，就可以用 Action 来处理这类需要 持续跟踪 状态的任务。

ROS文件系统

1. 工作空间（catkin workspace）顶层

在图中，你可以看到一个名为 catkin workspace 的目录，通常我们会将它命名为 ~/catkin_ws（或者其他名字），里面主要包含以下三个子目录：

1. src/

   • 存放源码的目录。
   • 任何新建的 ROS 包（如 package1, package2）都放在这里。
   • 只有放在 src/ 下的包才会被 catkin_make 或 colcon build（在 ROS2 中）识别并编译。

2. build/

   • 由 catkin_make 或者其他编译命令自动生成，用于存放 中间编译文件（如目标文件、Makefile、CMakeCache 等）。
   • 不需要手动编辑或创建，一旦你执行编译命令，这个文件夹就会自动出现。
   • 如果出了问题，很多时候可以直接删掉它（rm -rf build/）再重新编译。

3. devel/

   • 同样由编译命令自动生成，用于存放生成后的开发环境(development space)，包括可执行文件、库文件以及一些环境脚本（如 setup.bash 等）。
   • 通过 source devel/setup.bash 来让当前终端识别到新编译的包和可执行文件。
   • 一般不需要手动修改里面的内容，都是由编译和安装过程自动生成。

备注：有时还会看到一个 install/ 文件夹（若使用 “install” 模式编译），它是用于将最终构建结果“安装”到该目录下，更便于分发或部署。

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2. ROS 包（package）

在 src/ 下，我们会有若干 ROS 包（如图示的 package1、package2）。每个包通常包含以下关键文件/文件夹：

1. CMakeLists.txt

   • 使用 catkin 构建时的 CMake 配置文件。
   • 里面会调用诸如 find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS ...)、catkin_package()、add_executable() 等 CMake/ catkin 指令来指定如何编译源文件、链接库、安装文件等。
   • 不可或缺：catkin 需要它来知道怎么编译本包。

2. package.xml

   • 该包的 元信息文件，包含包名、版本号、维护者、依赖关系等。
   • catkin 通过它得知包与其他包（例如 roscpp, std_msgs）之间的依赖关系，也用于 ROS 包索引和安装管理。
   • 不可或缺：所有 ROS 包都必须有 package.xml 才能被识别为合法包。

3. scripts/ 文件夹

   • 放置 可执行脚本（通常是 Python 脚本 .py 或者 Shell 脚本 .sh）。
   • 在 ROS 中，如果脚本需要直接 rosrun，要保证其具有可执行权限（chmod +x your_script.py），并在 CMakeLists.txt 里通过 catkin_install_python() 或其他方式进行安装。
   • 常用于编写 Python 节点脚本、自动化脚本等。

4. msg/ 文件夹

   • 放置自定义的 消息类型（.msg 文件）。
   • 如果你的包中定义了新的消息结构（例如一个含位置、速度等的自定义消息），就需要在这里写 .msg 文件，并在 CMakeLists.txt 里配置 add_message_files()、generate_messages() 等。

5. srv/ 文件夹

   • 放置自定义的 服务类型（.srv 文件）。
   • 如果你的包要定义 Service（请求-响应）的数据结构，就需要在这里写 .srv 文件，并在 CMakeLists.txt 里做相应配置（类似 msg 的流程）。

6. include/ 文件夹

   • 用于存放 C/C++ 的头文件（.h 或者 .hpp），并且一般命名与包同名的子目录，如 include/package2/... 这样的结构，以便在代码中更好地组织和引用。
   • 如果有对外公开的库或接口头文件，一般都放在这里。

7. src/ 文件夹

   • 放置 源代码（比如 C++ 文件 .cpp）。
   • 在 CMakeLists.txt 中会有 add_executable()、add_library() 等命令去编译这个目录下的文件。
   • 也可能会有一些子目录，根据工程规模划分。

8. launch/ 文件夹

   • 放置 Launch 文件（.launch），通常是 XML 格式，用来一键启动多个节点或配置参数。
   • 例如：roslaunch package2 example.launch 可以同时启多个节点，并设置参数或话题重映射。

提示：除 CMakeLists.txt 和 package.xml 外，其他文件夹（scripts/msg/srv/include/src/launch）可以按需要创建，不是所有包都用得到。具体目录结构会根据项目需求而定。

CMake 是一个跨平台的自动化构建系统工具，旨在简化编译和构建过程，特别是在复杂的软件项目中。CMake 通过定义一个项目的构建规则（通常保存在 CMakeLists.txt 文件中），来自动生成标准的构建文件（如 Makefile、Visual Studio 工程文件等）。

在 ROS 中，CMake 也是构建系统的核心工具，catkin 构建系统基于 CMake，并通过生成的 CMakeLists.txt 文件来管理包的构建和依赖关系。

CMake 的基本概念和作用：

1. 跨平台支持： CMake 使得开发者能够在不同的平台上（Linux、Windows、macOS 等）使用相同的构建配置文件。通过 CMake，你可以生成与平台相关的构建文件。例如，在 Linux 上它可以生成 Makefile，在 Windows 上则可以生成 Visual Studio 工程文件。

2. 简化构建过程： CMake 通过自动生成构建文件，简化了手动编写 Makefile 或其他构建文件的工作。开发者只需要编写一个 CMakeLists.txt 文件，CMake 会自动处理不同平台和工具链的差异。

3. 管理依赖关系： CMake 可以检测并管理项目的依赖关系。它能够自动查找外部库、头文件，并确保在构建过程中正确地链接和编译。

4. 生成构建文件： 运行 CMake 命令会根据项目中的 CMakeLists.txt 文件生成特定平台的构建文件。例如，运行 cmake . 会在当前目录生成 Makefile，然后可以通过 make 命令来编译代码。

catkin 是 ROS (Robot Operating System) 中的一个构建系统，专门用于构建和管理 ROS 包。它是 ROS 2 和 ROS 1 中的标准构建系统。catkin 基于 CMake，因此需要了解 CMake 的基本概念来理解如何使用 catkin。

catkin 的作用：

1. 构建和编译 ROS 包： catkin 管理 ROS 包的构建过程，确保依赖关系正确，并生成可执行文件、库、消息、服务等。它可以处理 C++ 和 Python 的源码，并生成相应的可执行文件或库。

2. 管理 ROS 工作空间： catkin 将 ROS 包组织到一个工作空间中，典型的工作空间结构如下：

   ~/catkin_ws/ ├── build/ ├── devel/ ├── src/ └── CMakeLists.txt

   • src/：存放源代码和 ROS 包。
   • build/：存放构建过程中的中间文件。
   • devel/：存放已构建的包文件和工作空间环境。
   • CMakeLists.txt：构建配置文件，指定如何构建工作空间内的包。

3. 处理依赖： catkin 会自动处理包与包之间的依赖关系，确保在构建一个包时，其所依赖的其他包也会被正确构建。

catkin 与 CMake 的关系：

catkin 是基于 CMake 的构建系统，因此 CMakeLists.txt 文件是每个 ROS 包的关键配置文件。catkin 自动生成所需的 CMake 配置，简化了 ROS 包的构建过程。