ROS2的功能包、依赖管理、工作空间配置与编译

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学习目标

• 了解ROS2功能包的基本概念
• 熟悉ROS2中功能包的配置及其构建
• 熟悉ROS2中的依赖管理
• 熟悉ROS2的工作空间配置及其构建

难度级别

初级	中级	高级
	√

预计耗时

45 mins

学习前提

对象	类型	状态
ROS2 Humble	软件	已安装
Ubuntu22.04操作系统	软件	已确认
Shell的基本使用	知识	已了解

工作空间

在ROS2开发中，工作空间是一个重要概念，它是一个包含ROS 2软件包及其编译安装信息的目录。
它用于组织和管理机器人的代码、参数、脚本以及其他相关文件。类似于在 Visual Studio Code 中创建一个项目一样，工作空间提供了一个有序的环境，同时也避免了不同项目之间的冲突，以便更轻松地进行机器人软件开发。

以下是工作空间的常见目录及其用途：

文件夹名称	用途
src	代码空间：用于存储功能包的代码等。
build	编译空间：存储构建过程中产生的缓存和中间文件。软件构建过程通常会产生中间文件，它们通常不直接使用，但保留它们可以使后续构建更快。
install	安装空间：用于存放构建生成的可执行文件和脚本。安装空间包含已安装的软件以及使您能够使用该空间的 shell 脚本。
log	日志空间：用于保存构建过程中的警告、错误等日志信息。

下面是一个示例ROS 2工作空间的目录结构：

my_ros2_workspace/    # ROS 2工作空间的根目录
├── src/             # 存放ROS 2功能包的源代码
│   ├── my_c++_robot_package/     # C++机器人功能包
│   ├── my_python_robot_package/  # Python机器人功能包
│   ├── ...            # 可以包含其他功能包
├── build/           # 存储构建生成的中间文件，如构建结果
├── install/         # 存放构建生成的功能包文件
├── log/             # 存放ROS 2的构建日志文件

假设我们正在进行机器人开发，通常会发现GitHub上有第三方开源ROS2软件包，非常适合项目，并且可以实现一个令人印象深刻的ROS2演示，为了实现这个演示，我们可以尝试以下步骤：

1.创建工作空间

首先，我们需要创建一个ROS2工作空间。

# Create workspace
mkdir -p ~/ros2_workspace/src
# Go to your workspace src
cd ~/ros2_workspace/src

2.获取功能包

这时需要获取软件包。在这里，我们以官方的demos软件包为例。

# Go to your workspace src
cd ~/ros2_workspace/src
# Download package
git clone https://github.com/ros2/demos.git -b humble

3.安装功能包依赖

当你将第三方分享的软件包放入工作空间时，这些软件包通常会有一些依赖关系。
如果缺少这些依赖关系，软件包将无法正常运行。此时，你需要安装这些软件包的依赖项。

rosdep 是ROS2中用于管理和解决ROS软件包的依赖关系的一个工具，能够识别和解决ROS软件包所需的各种系统和第三方软件包的依赖关系，完成依赖的安装和后续的更新。

在下面的命令中，我们使用rosdep工具来完成这个依赖的安装：

rosdep	install	–ignore-src	–from-path src	–rosdistro humble	-y
ROS的依赖工具	安装	忽略已安装的包	指定安装依赖路径	指定ROS版本	默认确认

# Install pip
sudo apt install -y python3-pip
# Install rosdep
sudo pip install rosdep
# Init rosdep
sudo rosdep init
# Update rosdep
rosdep update
# Go to your workspace
cd ~/ros2_workspace
# Install dependencies for package
rosdep install --ignore-src --from-path src --rosdistro humble -y

对于中国用户，可能会由于网络问题导致rosdep工具失效。在这种情况下，你可以尝试以下命令，使用rosdepc代替rosdep：

# Install pip
sudo apt install -y python3-pip
# Install rosdepc
sudo pip install rosdepc
# Init rosdepc
sudo rosdepc init
# Update rosdepc
rosdepc update
# Go to your workspace
cd ~/ros2_workspace
# Install dependencies for package
rosdepc install --ignore-src --from-path src --rosdistro humble -y

当为工作空间中的软件包安装好相应的依赖项后，你将获得以下反馈：

All required rosdeps installed successfully

4.构建工作空间

在完成对依赖的更新后，你可以开始构建你的ROS2工作空间。

ROS2的构建系统

ROS2的构建系统包括三个核心概念：

• 构建工具（Build Tool）
  构建工具是用于控制单个软件包的编译和测试的关键软件。在ROS2中，通常使用CMake来构建C++软件包，而对于Python软件包，通常使用setuptools。

• 构建辅助工具（Build Helpers）
  构建辅助工具是用于增强开发者体验的辅助功能，它们与构建工具交互，简化构建，可以试做在基本的构建工具上又封装了一层。
  在ROS2中使用名为ament的构建辅助工具。当一个软件包被标记为ament包时，这意味着它是一个独立的软件单元，由package.xml清单文件描述，包括源代码、构建文件、测试、文档以及其他资源。
  举例来说，如果一个软件包是“ament CMake包”，那么它将使用CMake来构建并符合ament包的规范。

3. 通用构建工具（meta-build Tool）：
   通用构建工具是用户在ROS2中直接交互的表层构建工具。
   它是能够对一组软件包进行拓扑排序，并按正确的依赖关系顺序进行构建或测试的软件。它实际上是调用构建工具来执行编译、测试和软件包安装的工具。
   在ROS2中使用了通用构建工具，被称为colcon。colcon是一个用于构建和测试多个软件包的命令行工具。如果你想深入了解colcon，可以查看colcon readme。

如果你希望深入了解ROS2的构建系统，可以参考ROS2构建系统
关于colcon构建工具的设计理念，可以参考ROS2设计：colcon

不过这些构建系统概念不需要深入了解或理解，只需要知道ROS2使用colcon工具进行构建即可。

• 安装colcon
  如果你尚未安装 colcon，首先需要获取它。你可以执行以下命令：

sudo apt update
sudo apt upgrade
sudo apt install python3-colcon-ros
sudo apt install python3-colcon-common-extensions

• 编译工作空间
  随后你可以开始编译整个工作空间：

# Go to workspace
cd ~/ros2_workspace
# Build the workspace
colcon build

一旦编译成功，你的执行文件将位于工作空间的 install 目录下。由于 Python 是解释性语言，因此会在 install 目录中创建一份拷贝。ROS 会执行 install 目录中的内容。如果你不重新编译，ROS 执行的内容将不会更新，因为它将使用 install 目录中的拷贝版本。

• 特殊需求：单独编译包
  如果你只需要编译工作空间中的某个特定包，你可以使用 --packages-select 后缀来节省时间。例如：

colcon build --packages-select package_name

• 特殊需求：使用符号链接安装
  如果你希望在修改 Python 脚本后无需每次重新构建工作空间，你可以使用符号链接安装选项 --symlink-install。但请注意，这可能会导致代码不兼容问题，如果出现无法正常运行的情况，建议使用常规的 colcon build。同时，不建议混合使用两种方式。

colcon build --symlink-install

相关原理：
使用 colcon build --symlink-install 进行构建时，Colcon 不会将软件包的文件复制到安装目录，而是在安装目录中创建符号链接，指向在构建目录中生成的实际文件。这些符号链接只包含文件的路径信息，而不是实际的文件数据。

这种方式可以节省磁盘空间，因为相同的文件可以在多个软件包之间共享，而不会多次复制相同的文件。此外，符号链接方式还使得在软件包的源代码发生更改时，安装的文件会自动反映这些更改，因为符号链接会指向最新生成的文件。

5. 编译异常的处理

如果在构建过程中出现异常情况，你可以尝试删除工作空间目录下的 build、install 和 log 文件夹，然后重新执行构建。这有时可以解决构建问题。
如果仍无法解决问题，则需要进一步考虑依赖、配置文件及代码自身是否存在问题。

6. 设置ROS2工作空间的环境变量

通常，source 命令用于立即生效最近的更改的初始化文件，而无需注销和重新登录。在设置工作空间的环境变量时，我们使用 ros2_workspace/install/setup.bash 文件来确保新生成的文件可以被正确调用。以下是具体的操作步骤：

# Go to your workplace
cd ~/ros2_workspace
# Run env set script
. install/setup.bash

自动环境变量设置

你也可以配置自动设置环境变量，使得每次打开终端时都能自动生效。以下是具体的步骤：

1. 你可以使用 pwd 命令来查看当前目录的路径，以获取工作空间的目录路径。

2. 然后，将以下命令添加到你的 .bashrc 文件中，替换其中的~/ros2_workspace为你的工作空间的这将自动设置 ROS2 环境变量，以便在每次打开终端时自动生效：

echo "source ~/ros2_workspace/install/setup.bash" >> ~/.bashrc

7.测试功能包的基本功能

尝试运行刚才下载的demos包中的案例：

ros2 run demo_nodes_py talker

关于工作空间更详细的内容可以参考ROS官方关于创建工作空间的教程

功能包

在ROS 2中，功能包（packages）是组织和管理机器人应用程序的基本单元之一，通常包含一组相关的功能和代码，用于实现特定的机器人任务或功能。
它们使机器人开发者能够组织、共享和重用代码，以便更容易开发和维护复杂的机器人应用程序。通过合理组织功能包，开发者可以更高效地开发各种机器人应用。

如图所示，ros2_learning 和 ros2_learning_interfaces是在工作空间的源码目录下的两个功能包。

功能包的特点

• 模块化设计
  ROS 2鼓励开发者将功能包设计成可重用的模块，以便在不同的机器人项目中进行重复使用。这种模块化设计使得功能包可以更容易共享和扩展，从而提高了ROS 2的灵活性和可维护性。因此包通常以模块化的理念来设计。

• 依赖关系友善
  ROS 2功能包可以依赖于其他功能包，这意味着它们可以使用其他功能包中的代码和资源来实现其功能。这种依赖关系允许开发者构建复杂的机器人应用程序，同时避免重复造轮子。

• 代码组织规整
  ROS 2功能包包含了一组源代码文件、配置文件、启动文件、资源文件和其他所需的文件，这些文件用于实现特定的机器人任务或功能。这些文件通常按照一定的目录结构组织，以便开发者更容易理解和维护。

功能包的基本目录样式

在ROS2中，对于Python功能包，通常有以下目录结构：

my_python_package/
    package.xml # 功能包的元数据文件,包含名称、版本、作者、依赖关系等基本包信息
    setup.py # 定义python包的元信息，指定python入口点
    setup.cfg # 用于配置Python包的构建信息
    my_python_package/ # 存放代码的地方
        __init__.py # 空文件，用于标识该目录为Python模块目录
        my_node.py # 示例节点代码文件
        ...
    launch/ # 存放ROS2启动文件的目录。启动文件用于启动和配置ROS 2节点和其他组件
        my_launch_file.launch.py # 示例启动文件
    resource/ # 用于存放功能包中的资源文件，通常用不上
        my_python_package
    test/
        ...

在ROS2中，对于C++功能包，通常有以下目录结构：

my_cplusplus_package/
    ├── CMakeLists.txt # CMake构建系统配置,描述如何在包中构建代码的文件
    ├── package.xml # 功能包的元数据文件,包含名称、版本、作者、依赖关系等基本包信息
    ├── include/ # 包含包的头文件的目录
    │   └── my_cplusplus_package/ # C++头文件目录
    │       └── my_node.hpp # ROS节点的头文件
    ├── src/
    │   ├── my_node.cpp # 源码文件
    │   └── my_another_node.cpp # 源码文件2
    │   └── ...
    ├── launch/ # 启动文件目录
    │   └── my_node_launch.py # ROS 2启动文件

创建功能包

python

如果你希望创建一个ROS2 Python功能包，请执行：

ros2 pkg create --build-type ament_python <package_name>

C++

如果你希望创建一个ROS2 C++功能包，请执行：

ros2 pkg create --build-type ament_cmake <package_name>

关于功能包的创建如果希望了解更多，可参考ROS官方关于创建功能包的资料。

ROS 2 功能包的命令行工具

在ROS 2中，有一些命令行工具可用于管理和操作功能包。以下是这些工具的介绍和用法。

列出功能包中的可执行文件

要列出特定功能包中的可执行文件，可以使用以下命令：

ros2 pkg executables packagename

这将返回指定功能包（packagename）中所有可执行文件的列表。你也可以指定包含文件后缀，以进一步过滤结果。

列出本地所有已安装的功能包

如果你想查看系统中所有已安装的功能包，可以使用以下命令：

ros2 pkg list

这将返回一个包含所有已安装功能包的列表。

• 查找功能包的安装位置

要知道特定功能包的安装位置，可以使用以下命令：

ros2 pkg prefix packagename

这将输出指定功能包（packagename）的安装位置前缀。

获取功能包的清单描述信息

如果你需要查看功能包的清单描述信息，可以使用以下命令：

ros2 pkg xml packagename

这将返回指定功能包（packagename）的XML清单描述信息，其中包含有关功能包的详细信息。

跳转到包

ROS2支持和ROS1中roscd相似的colcon_cd，该命令colcon_cd允许您快速将 shell 的当前工作目录更改为包的目录，
将以下两个脚本写入~/.bashrc即可

echo "source /usr/share/colcon_cd/function/colcon_cd.sh" >> ~/.bashrc
echo "export _colcon_cd_root=/opt/ros/humble/" >> ~/.bashrc

colcon_cd your_package

具体的使用方式参考colcon_cd的使用，此处不涉及。