详解ROS文件系统 - 物流网资讯

详解ROS文件系统

2024-12-29 13:33

本章主要介绍了ROS的工程结构，也就是ROS的文件系统结构。要学会建立一个ROS工程，首先要认识一个ROS工程，了解它们的组织架构，从根本上熟悉ROS项目的组织形式，了解各个文件的功能和作用，才能正确的进行开发和编程。

本章的主要内容有，介绍catkin的编译系统，catkin工作空间的创建和结构，package软件包的创建和结构，介绍CMakeLists.txt文件，package.xml以及其他常见文件。从而系统的梳理了ROS文件空间的结构，对于我们ROS学习和开发有着重要的作用。

01 Catkin编译系统

对于源代码包，我们只有编译才能在系统上运行。而Linux下的编译器有gcc、g++，随着源文件的增加，直接用gcc/g++命令的方式显得效率低下，人们开始用Makefile来进行编译。然而随着工程体量的增大，Makefile也不能满足需求，于是便出现了Cmake工具。CMake是对make工具的生成器，是更高层的工具，它简化了编译构建过程，能够管理大型项目，具有良好的扩展性。对于ROS这样大体量的平台来说，就采用的是CMake，并且ROS对CMake进行了扩展，于是便有了Catkin编译系统。

早期的ROS编译系统是rosbuild，但随着ROS的不断发展，rosbuild逐渐暴露出许多缺点，不能很好满足系统需要。在Groovy版本面世后，Catkin作为rosbuild的替代品被正式投入使用。Catkin操作更加简化且工作效率更高，可移植性更好，而且支持交叉编译和更加合理的功能包分配。目前的ROS同时支持着rosbuild和Catkin两种编译系统，但ROS的核心软件包也已经全部转换为Catkin。rosbuild已经被逐步淘汰，所以建议初学者直接上手Catkin。

本节我们主要来介绍catkin的编译系统。

1.1 Catkin特点

Catkin是基于CMake的编译构建系统，具有以下特点：

Catkin沿用了包管理的传统像基础结构,
扩展了CMake，例如
- 软件包编译后无需安装就可使用
- 自动生成代码，文件
- 解决了多个软件包构建顺序问题

一个Catkin的软件包（package）必须要包括两个文件：

package.xml: 包括了package的描述信息
- name, description, version, maintainer(s), license
- opt. authors, url's, dependencies, plugins, etc...

CMakeLists.txt: 构建package所需的CMake文件
- 调用Catkin的函数/宏
- 解析
- 找到其他依赖的catkin软件包
- 将本软件包添加到环境变量

1.2 Catkin工作原理

catkin编译的工作流程如下：

首先在工作空间下递归的查找其中每一个ROS的package。
package中会有和文件，Catkin(CMake)编译系统依据文件,从而生成(放在)。
然后刚刚生成的等文件，编译链接生成可执行文件(放在)。

也就是说，Catkin就是将与指令做了一个封装从而完成整个编译过程的工具。catkin有比较突出的优点，主要是：

操作更加简单
一次配置，多次使用
跨依赖项目编译

1.3 使用进行编译

要用catkin编译一个工程或软件包，只需要用指令。一般当我们写完代码，执行一次进行编译,调用系统自动完成编译和链接过程，构建生成目标文件。编译的一般性流程如下：

注意: catkin编译之前需要回到工作空间目录，在其他路径下编译不会成功。编译完成后，如果有新的目标文件产生（原来没有），那么一般紧跟着要source刷新环境，使得系统能够找到刚才编译生成的ROS可执行文件。这个细节比较容易遗漏，致使后面出现可执行文件无法打开等错误。

命令也有一些可选参数，例如：

02 Catkin工作空间

Catkin工作空间是创建、修改、编译catkin软件包的目录。catkin的工作空间，直观的形容就是一个仓库，里面装载着ROS的各种项目工程，便于系统组织管理调用。在可视化图形界面里是一个文件夹。我们自己写的ROS代码通常就放在工作空间中，本节就来介绍catkin工作空间的结构。

2.1 创建catkin工作空间

创建一个 catkin 工作空间：

2.2 编译工作空间

注意: catkin编译之前需要回到工作空间目录，在其他路径下编译不会成功。

编译完成后，如果有新的目标文件产生（原来没有），那么一般紧跟着要source刷新环境，使得系统能够找到刚才编译生成的ROS可执行文件。这个细节比较容易遗漏，致使后面出现可执行文件无法打开等错误。

命令也有一些可选参数，例如：

注意， 对于 Python 3 用户，在一个空的 catkin 工作空间中第一次运行 catkin_make的命令应为：

这将会配置 catkin_make 使用 Python 3.你可以在随后的构建中只使用。

2.3 设置环境变量

另外，如果你查看一下当前目录应该能看到 'build' 和 'devel' 这两个文件夹。在 'devel' 文件夹里面你可以看到几个文件。这些文件中的任何一个都可以将当前工作空间设置在ROS工作环境的最顶层。接下来首先一下新生成的文件：

2.4 检查环境变量

要想保证工作空间已配置正确，需确保环境变量包含你的工作空间目录，采用以下命令查看：

到此你的工作环境已经搭建完成。

03 catkin结构介绍

catkin的结构十分清晰，具体的catkin工作空间结构图如下。初看起来catkin工作空间看起来极其复杂，其实不然，catkin工作空间的结构其实非常清晰。

在工作空间下用tree命令，显示文件结构。

结果为：

通过tree命令可以看到catkin工作空间的结构,它包括了、、三个路径，在有些编译选项下也可能包括其他。但这三个文件夹是catkin编译系统默认的。它们的具体作用如下：

src/: ROS的catkin软件包（源代码包）
build/: catkin（CMake）的缓存信息和中间文件
devel/: 生成的目标文件（包括头文件，动态链接库，静态链接库，可执行文件等）、环境变量

在编译过程中，它们的工作流程如图：

后两个路径由catkin系统自动生成、管理，我们日常的开发一般不会去涉及，而主要用到的是src文件夹，我们写的ROS程序、网上下载的ROS源代码包都存放在这里。

在编译时，catkin编译系统会递归的查找和编译下的每一个源代码包。因此你也可以把几个源代码包放到同一个文件夹下，如下图所示：

小结

catkin工作空间基本就是以上的结构，package是catkin工作空间的基本单元，我们在ROS开发时，写好代码，然后catkin_make，系统就会完成所有编译构建的工作。至于更详细的package内容，我们将在下节继续介绍。

04 Package软件包

ROS程序只有组成package才能编译；
package是ROS源代码存放的地方；
ROS的代码无论是C++还是Python都要放到package中，这样才能正常的编译和运行；
一个package可以编译出来多个目标文件（ROS可执行程序、动态静态库、头文件等等）。

4.1 package结构

一个package下常见的文件、路径有：

其中定义package的是和，这两个文件是package中必不可少的。catkin编译系统在编译前，首先就要解析这两个文件。这两个文件就定义了一个package。
通常ROS文件组织都是按照以上的形式，这是约定俗成的命名习惯，建议遵守。以上路径中，只有和是必须的，其余路径根据软件包是否需要来决定。

4.2 package的创建

创建一个package需要在下,用到命令，用法是：

其中package是包名，depends是依赖的包名，可以依赖多个软件包。

例如，新建一个package叫做,依赖roscpp、rospy、std_msgs(常用依赖)。

这样就会在当前路径下新建软件包，包括：

帮你完成了软件包的初始化，填充好了和，并且将依赖项填进了这两个文件中。

4.3 package相关命令

4.3.1 rospack

rospack是对package管理的工具，命令的用法如下：

以上命令如果package缺省，则默认为当前目录(如果当前目录包含package.xml)

4.3.2 roscd

命令类似与Linux系统的，改进之处在于可以直接到ROS的软件包。

4.3.3 rosls

也可以视为Linux指令的改进版，可以直接ROS软件包的内容。

4.3.4 rosdep

是用于管理ROS package依赖项的命令行工具，用法如下：

一个较常使用的命令是：

05 CMakeLists.txt

5.1 CMakeLists.txt作用

原本是Cmake编译系统的规则文件，而Catkin编译系统基本沿用了CMake的编译风格，只是针对ROS工程添加了一些宏定义。所以在写法上，catkin的与CMake的基本一致。

这个文件直接规定了这个package要依赖哪些package，要编译生成哪些目标，如何编译等等流程。所以非常重要，它指定了由源码到目标文件的规则，catkin编译系统在工作时首先会找到每个package下的，然后按照规则来编译构建。

5.2 CMakeLists.txt写法

的基本语法都还是按照CMake，而Catkin在其中加入了少量的宏，总体的结构如下：

如果你从未接触过CMake的语法，请阅读《CMake实践》：https://github.com/Akagi201/learning-cmake/blob/master/docs/cmake-practice.pdf 。掌握CMake语法对于理解ROS工程很有帮助。

5.3 CMakeLists例子

为了详细的解释的写法，我们以turtlesim小海龟这个pacakge为例，读者可到包下查看，在的写法如下,:

06 package.xml

也是一个catkin的package必备文件，它是这个软件包的描述文件，在较早的ROS版本(rosbuild编译系统)中，这个文件叫做，用于描述pacakge的基本信息。如果你在网上看到一些ROS项目里包含着，那么它多半是hydro版本之前的项目了。

6.1 package.xml作用

包含了package的名称、版本号、内容描述、维护人员、软件许可、编译构建工具、编译依赖、运行依赖等信息。实际上、等命令之所以能快速定位和分析出package的依赖项信息，就是直接读取了每一个pacakge中的文件。它为用户提供了快速了解一个pacakge的渠道。

6.2 package.xml写法

遵循xml标签文本的写法，由于版本更迭原因，现在有两种格式并存（format1与format2），不过区别不大。老版本（format1）的通常包含以下标签:

说明：其中1-6为必备标签，1是根标签，嵌套了其余的所有标签，2-6为包的各种属性，7-9为编译相关信息。

在新版本（format2）中，包含的标签为：

由此看见新版本的格式上增加了、、、 ,相当于将之前的build和run依赖项描述进行了细分。

目前Indigo、Kinetic、Lunar等版本的ROS都同时支持两种版本的，所以无论选哪种格式都可以。

6.3 pacakge.xml例子

为了说明pacakge.xml写法，还是以turtlesim软件包为例，其文件内容如下，我们添加了相关的注释：

以上内容是老版本（format1）的写法，如果要写成新版本（format2）则可以改为：

07 Metapackage

7.1 Metapackage介绍

在一些ROS的教学资料和博客里，你可能还会看到一个Stack（功能包集）的概念，它指的是将多个功能接近、甚至相互依赖的软件包的放到一个集合中去。但Stack这个概念在Hydro之后就取消了，取而代之的就是Metapackage。尽管换了个马甲，但它的作用没变，都是把一些相近的功能模块、软件包放到一起。

ROS里常见的Metapacakge有：

以上列举了一些常见的功能包集，例如navigation、turtlebot，他们都是用于某一方面的功能，以navigation metapackage（官方介绍里仍然沿用stack的叫法）为例，它包括了以下软件包：

这里只看一个软件包navigation。这个navigation就是一个简单的pacakge，里面只有几个文件，但由于它依赖了其他所有的软件包。Catkin编译系统会明白，这些软件包都属于navigation metapacakge。

这个道理并不难理解，比如我们在安装ROS时，用到了命令，由于它依赖了ROS所有的核心组件，我们在安装时也就能够安装整个ROS。

7.2 Metapackage写法

我们以ROS-Academy-for-beginners为例介绍meteapckage的写法，在教学包内，有一个软件包，该包即为一个metapacakge，其中有且仅有两个文件：和。

写法如下：

metapacakge中的以上两个文件和普通pacakge不同点是：

:加入了catkin_metapackage()宏，指定本软件包为一个metapacakge。
:标签将所有软件包列为依赖项，标签中添加标签声明。

metapacakge在我们实际开发一个大工程时可能有用。

08 其他常见文件类型

在ROS的pacakge中，还有其他许多常见的文件类型，这里做个总结。

8.1 launch文件

launch文件一般以或结尾，它对ROS需要运行程序进行了打包，通过一句命令来启动。一般launch文件中会指定要启动哪些package下的哪些可执行程序，指定以什么参数启动，以及一些管理控制的命令。 launch文件通常放在软件包的路径中。

8.2 msg/srv/action文件

ROS程序中有可能有一些自定义的消息/服务/动作文件，为程序的开发者所设计的数据结构，这类的文件以,,结尾，通常放在package的,,路径下。

8.3 urdf/xacro文件

urdf/xacro文件是机器人模型的描述文件，以.urdf或.xacro结尾。它定义了机器人的连杆和关节的信息，以及它们之间的位置、角度等信息，通过urdf文件可以将机器人的物理连接信息表示出来。并在可视化调试和仿真中显示。

8.4 yaml文件

yaml文件一般存储了ROS需要加载的参数信息，一些属性的配置。通常在launch文件或程序中读取.yaml文件，把参数加载到参数服务器上。通常我们会把yaml文件存放在路径下

8.5 dae/stl文件

dae或stl文件是3D模型文件，机器人的urdf或仿真环境通常会引用这类文件，它们描述了机器人的三维模型。相比urdf文件简单定义的性状，dae/stl文件可以定义复杂的模型，可以直接从solidworks或其他建模软件导出机器人装配模型，从而显示出更加精确的外形。

8.6 rviz文件

rviz文件本质上是固定格式的文本文件，其中存储了RViz窗口的配置（显示哪些控件、视角、参数）。通常rviz文件不需要我们去手动修改，而是直接在RViz工具里保存，下次运行时直接读取。

09 参考资料

https://zhuanlan.zhihu.com/p/144600321