RDK X3测评：6.ROS开发流程

waterman

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ROS架构

分布式系统设计

ROS采用独特的分布式架构设计，其核心思想是将机器人系统分解为多个独立运行的节点（Node）。这种设计模式带来三大优势：

• 模块解耦：每个节点负责单一功能（如传感器采集、运动控制等），通过标准接口通信。

• 跨平台部署：节点可运行在不同硬件平台（如工控机、嵌入式设备）。

• 动态重构：支持运行时节点的增删改操作。

核心通信机制

通信方式	传输协议	典型应用场景
Topic（话题）	发布/订阅	持续数据流（如传感器数据）
Service（服务）	请求/响应	即时指令执行（如启停控制）
Action（动作）	状态反馈	长时任务（如导航到目标点）

环境准备与基础概念

ROS 2开发环境要求

• Ubuntu 22.04

• ROS 2 Humble

• Python 3.8+

• colcon构建工具

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sudo apt install python3-colcon-common-extensions

基础概念

功能包（Package）

功能包是ROS的原子单元，用于组织代码和资源。每个功能包通常包含一个特定功能或模块的代码、配置文件、启动文件等。

一个典型的功能包目录结构如下：

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package_name/
├── CMakeLists.txt
├── package.xml
├── src/
├── include/
├── launch/
├── msg/
├── srv/
├── action/
└── scripts/

各目录的功能如下：

• CMakeLists.txt：用于定义包的编译规则。

• package.xml：包含包的元数据，如名称、版本、依赖等。

• src/：存放C++源代码。

• include/：存放C++头文件。

• launch/：存放启动文件，用于启动多个节点。

• msg/：存放自定义消息类型。

• srv/：存放自定义服务类型。

• action/：存放自定义动作类型。

• scripts/：存放Python脚本。

节点（Node）

节点是ROS中的可执行进程，负责执行特定的任务。节点之间通过话题（Topic）、服务（Service）或动作（Action）进行通信。

在功能包的src/目录下创建C++或Python文件，从而创建相应的节点，例如my_node.cpp或my_node.py。

工作空间（Workspace）

工作空间是ROS开发的容器，用于组织和管理多个功能包。典型的工作空间结构如下：

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workspace/
├── src/
├── install/
├── log/
└── build/

其中各目录的功能如下：

• src/：存放所有功能包的源代码。

• install/：存放编译后的可执行文件和库。

• log/：存放日志文件。

• build/：存放编译过程中生成的中间文件。

Python开发流程

以下是基于python的详细开发流程，包括功能包创建、包结构说明、节点开发以及编译配置等。

创建Python功能包

在ROS 2中，使用以下命令创建一个Python功能包：

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source /opt/tros/humble/setup.bash
ros2 pkg create --build-type ament_python demo_py --dependencies rclpy std_msgs

• --build-type ament_python：指定这是一个Python功能包，使用ament构建系统。

• demo_py：功能包的名称。

• --dependencies rclpy std_msgs：指定功能包的依赖项，rclpy是ROS 2的Python客户端库，std_msgs是标准消息类型。

创建的包结构

创建的功能包结构如下：

文件说明：

demo_py/：功能包的根目录。

• demo_py/：Python模块目录，与功能包同名。

  • __init__.py：使该目录成为一个Python模块。

  • node_demo.py：Python节点代码文件（自行创建）。

• package.xml：功能包的元数据文件，包含名称、版本、依赖等信息。

• setup.cfg：配置Python包的安装方式。

• setup.py：定义Python包的构建和安装规则。

Python节点开发示例

以下是一个简单的Python节点示例，发布消息到ROS 2话题。

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# node_demo.py
import rclpy
from rclpy.node import Node
from std_msgs.msg import String

class Talker(Node):
    def __init__(self):
        super().__init__('py_talker')
        self.publisher = self.create_publisher(String, 'topic', 10)
        self.timer = self.create_timer(1.0, self.timer_callback)
        self.count = 0

    def timer_callback(self):
        msg = String()
        msg.data = f'Hello ROS2: {self.count}'
        self.publisher.publish(msg)
        self.get_logger().info(f'Published: {msg.data}')
        self.count += 1

def main(args=None):
    rclpy.init(args=args)
    node = Talker()
    rclpy.spin(node)
    rclpy.shutdown()

if __name__ == '__main__':
    main()

 

代码说明：

Talker类：继承自Node，表示一个ROS 2节点。

• create_publisher：创建一个发布者，发布String类型的消息到topic话题。

• create_timer：创建一个定时器，每1秒触发一次timer_callback。

• timer_callback：定时器回调函数，发布消息并打印日志。

main函数：初始化ROS 2，创建节点并运行。

配置编译规则

在ROS 2中，Python节点的编译和安装规则通过setup.py文件配置。

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# setup.py关键配置
entry_points={
    'console_scripts': [
        'py_node = demo_py.node_demo:main',
    ],
}

• entry_points：定义可执行脚本。

  • py_node：可执行命令的名称。

  • demo_py.node_demo:main：指定执行的Python模块和函数。

编译和运行节点

编译功能包

在工作空间根目录下运行以下命令：

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colcon build --packages-select demo_py

• colcon是ROS 2的构建工具。

• --packages-select demo_py：仅编译demo_py功能包。

编译完成后的目录如下：

节点测试

首先我们运行创建的py_node节点。

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#加载工作空间环境
source install/setup.bash
#运行节点
ros2 run demo_py py_node

输出如下：

可以看到每隔一秒会发布一个“Hello ROS2”的信息。

之后我们创建一个新的终端，查看我们创建的节点是否能够正常工作。首先查看话题列表

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#查看话题列表
ros2 topic list

可以看到当前存在topic话题，之后查看话题内容

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#查看话题内容
ros2 topic echo /topic

可以看到，当前话题中能够接收到我们创建的节点发送的信息，说明我们的节点运行功能正常。

C++开发流程

在ROS 2中，使用C++开发功能包和节点的流程与Python类似，但涉及更多的编译配置。以下是详细的C++开发全流程，包括功能包创建、节点开发、包结构说明以及编译配置。

创建C++功能包

使用以下命令创建一个C++功能包：

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ros2 pkg create --build-type ament_cmake demo_cpp \--dependencies rclcpp std_msgs

• --build-type ament_cmake：指定这是一个C++功能包，使用ament_cmake构建系统。

• demo_cpp：功能包的名称。

• --dependencies rclcpp std_msgs：指定功能包的依赖项，rclcpp是ROS 2的C++客户端库，std_msgs是标准消息类型。

创建的包结构

创建的功能包结构如下：

文件说明：

1. CMakeLists.txt：定义C++项目的编译规则。

2. include/：存放C++头文件。

3. src/：存放C++源代码文件。

4. package.xml：功能包的元数据文件，包含名称、版本、依赖等信息。

C++节点开发示例

以下是一个简单的C++节点示例，在src目录下创建cpp_node.cpp文件，订阅ROS 2话题并打印接收到的消息。

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#include "rclcpp/rclcpp.hpp"
#include "std_msgs/msg/string.hpp"

using namespace std::chrono_literals;

class Listener : public rclcpp::Node {
public:
    Listener() : Node("cpp_listener") {
        subscription_ = this->create_subscription<std_msgs::msg::String>(
            "topic", 10,
            [this](const std_msgs::msg::String::SharedPtr msg) {
                RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "Received: '%s'", 
                    msg->data.c_str());
            });
    }

private:
    rclcpp::Subscription<std_msgs::msg::String>::SharedPtr subscription_;
};

int main(int argc, char * argv[]) {
    rclcpp::init(argc, argv);
    rclcpp::spin(std::make_shared<Listener>());
    rclcpp::shutdown();
    return 0;
}

代码说明：

1. Listener类：继承自Node，表示一个ROS 2节点。

   1. create_subscription：创建一个订阅者，订阅String类型的消息。

   2. 回调函数：接收到消息后打印日志。

2. main函数：初始化ROS 2，创建节点并运行。

配置编译规则

在ROS 2中，C++节点的编译规则通过CMakeLists.txt文件配置。CMakeLists.txt 关键配置如下

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cmake_minimum_required(VERSION 3.8)
project(demo_cpp)

if(CMAKE_COMPILER_IS_GNUCXX OR CMAKE_CXX_COMPILER_ID MATCHES "Clang")
  add_compile_options(-Wall -Wextra -Wpedantic)
endif()

# find dependencies
find_package(ament_cmake REQUIRED)
find_package(rclcpp REQUIRED)
find_package(std_msgs REQUIRED)

add_executable(cpp_node src/cpp_node.cpp)

ament_target_dependencies(cpp_node rclcpp std_msgs)

if(BUILD_TESTING)
  find_package(ament_lint_auto REQUIRED)
  # the following line skips the linter which checks for copyrights
  # comment the line when a copyright and license is added to all source files
  set(ament_cmake_copyright_FOUND TRUE)
  # the following line skips cpplint (only works in a git repo)
  # comment the line when this package is in a git repo and when
  # a copyright and license is added to all source files
  set(ament_cmake_cpplint_FOUND TRUE)
  ament_lint_auto_find_test_dependencies()
endif()

ament_package()

代码说明：

• find_package：查找所需的依赖包。

• add_executable：定义可执行文件。

• ament_target_dependencies：为目标添加依赖。

• ament_package：导出功能包的依赖。

编译和运行节点

使用

• colcon

构建工具编译功能包

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colcon build --symlink-install

其中，--symlink-install参数为：使用符号链接而不是复制文件。

之后运行节点

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source install/setup.bash
ros2 run demo_cpp cpp_node

运行结果如下：

可以看到，此时能够正常接收到上面python节点发送的信息，说明我们的cpp_node节点能够正常工作。

Jacktang

是将机器人系统分解为多个独立运行的节点（Node）这个是根本