ROS入门之核心概念和系统安装

ROS简介

ROS(robot operating system)是一个开源的机器人操作系统，最早起源于2007年斯坦福大学willow garage的个人项目。ROS提供机器人硬件抽象描述，底层驱动，节点间的消息传递，程序包管理等功能，用于构建一个完整的机器人系统。ROS系统主要由node， topic，service等结构构成。

ROS每两年更新一个大版本，每个版本对应一个ubuntu版本，如图所示：其中kinetic版本对应ubuntu16， melodic对应ubuntu18（最新版本为2020年5月发布的noetic）。ROS目前已经发展到ROS 2版本，但是ROS 2并不是对ROS 1的取代，而是对ROS 1的进一步完善，目前主流应用还是基于ROS 1版本构建。目前，ROS相关的资料也非常多，主要参考ROS wiki即可解决大部分问题。

ROS melodic安装（ubuntu 18）

ROS的安装过程在ros的wiki上写的非常清楚，按照步骤执行就可以，这里简要贴一下命令。

# 设置ROS软件源
sudo sh -c 'echo "deb http://packages.ros.org/ros/ubuntu $(lsb_release -sc) main" > /etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list'
# 添加密钥
sudo apt-key adv --keyserver 'hkp://keyserver.ubuntu.com:80' --recv-key C1CF6E31E6BADE8868B172B4F42ED6FBAB17C654
# 安装ROS
sudo apt install ros-melodic-desktop-full
# 初始化rosdep
sudo rosdep init
rosdep update
# 设置环境变量
echo "source /opt/ros/melodic/setup.bash" >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc
# 安装rosinstall
sudo apt-get install python-rosinstall python-rosinstall-generator python-wstool build-essential

这里初始化rosdep这一步中，rosdep update命令经常由于网络问题无法正常执行（修改host无效），将会影响到后续的操作，可以通过修改20-default.list文件使用gitee备份源来解决问题，具体操作见链接。

安装完成之后，执行一下roscore测试一下安装是否成功，效果如图：

核心概念

ROS的核心概念主要有 Node, Topic, Service和ROS Master，下面先分别对每个概念进行解释。

Node

ROS 中每个执行具体任务的单元都成为一个Node，一个Node通常为一个可执行文件，不同的节点可以用不同的语言编写，也可以运行在不同机器上，但是每个Node的名称必须唯一。

Topic

Topic是节点之间传输消息的一种多对多的方式。在Topic模型中，消息的发送者被称为Publisher，接受者被称为Subscriber，Publisher将消息发送到Topic中，然后Subscriber订阅这个Topic来收取消息，这个过程是异步进行的，比较类似于操作系统中的消费者和生产者的模型，Topic就充当了buffer的角色。Publisher发布消息时需要遵守一定的规则，其发出的消息结构需要提前在.msg格式的文件中进行定义。这三者的关系如图所示：

Service

Service是C/S架构的同步消息通信模型，传递消息时，首先由client对server发出请求，当server处理完成后，再给client返回数据，这个过程是同步进行的，一个server可以被多个client请求。和Topic类似，service模型在通信时传递的消息结构也是提前定义好的，需要在.srv文件中进行声明。service示意图如图所示：

ROS Master

ROS Master是整个ROS系统的控制中心，所有的node节点都需要注册到ROS Master中才能正常在整个系统中使用。ROS Master负责连接所有Topic/Service之间的通信，同时还提供一个参数服务器，可以在运行时提供一些参数。ROS Master示意图如图所示：

文件系统

ROS的工作空间一般为～/catkin_ws（自行创建），一般包括build, devel, install, src和param.yaml文件。build 文件夹下主要存放编译过程中的中间文件，和普通cmake编译中的build文件夹功能类似；devel文件夹中存放有编译出来的可执行文件以及对应几大主流shell系统的环境变量更新命令。install文件夹下主要存放用于install的命令脚本，src存放所有功能包，param.yaml中配置ROS系统的参数，ROS系统启动时将读取这个文件。

源代码就放在catkin_ws/src目录下。src目录下每个文件夹都是一个功能包（使用命令创建功能包），每个功能包里一般包括源代码（src和script），Package manifest，消息/服务定义文件，如图所示：

多个功能包又可以组成一个元功能包，最终构成一个完整的ROS 系统。

基础命令

创建workspace

mkdir -p ~/catkin_ws/src
cd ~/catkin_ws/src
# 初始化工作空间
catkin_init_workspace

ROS的程序编译使用catkin编译系统，每次都会编译整个workspace，编译命令为catkin_make，编译需要在workspace根目录执行。

cd ~/catkin_ws/
catkin_make

编译完成之后，要想使用刚刚编译成功的package，需要对bash的环境进行更新，执行命令：

source devel/setup.bash

创建功能包

功能包一般都放在catkin_ws/src目录下，使用catkin_create_pkg 命令进行创建。

cd ~/catkin_ws/src
catkin_create_pkg test_pkg std_msgs rospy roscpp

catkin_create_pkg 命令格式为：catkin_create_pkg <package名称> [功能包所需依赖..]

需要注意，同一工作空间下，不允许存在同名的功能包。

其他常用命令

roscore

启动ROS Master

rostopic

rostopic 命令可跟不同参数，最常用命令为rostopic list，用于查看当前ROS Master中存在的所有topic；rostopic pub可以向指定的topic中发布数据，例如向turtlesim中发布数据改变turtle的位置，在发布数据时，当确定需要发布的topic后，可以双击“tab”键自动补全消息格式：