在Ubuntu 20.04中创建ROS工作空间：catkin_init_workspace与catkin_make的作用、工作流程及其区别

在Ubuntu 20.04中创建ROS工作空间：`catkin_init_workspace`与`catkin_make`的作用、工作流程及其区别

在Ubuntu 20.04系统上开发机器人应用时，ROS（Robot Operating System）工作空间的创建与管理是至关重要的步骤。本文将详细介绍如何在Ubuntu 20.04中创建ROS工作空间，深入解析catkin_init_workspace和catkin_make这两个关键命令的作用、工作流程及其区别，并通过具体示例加以说明。

一、ROS工作空间概述

ROS工作空间是一个文件系统目录结构，用于组织、编译和管理ROS包（Package）。通过工作空间，开发者可以高效地开发、测试和部署机器人软件组件。Catkin是ROS官方推荐的构建系统，支持多语言编程（如C++和Python），并能自动处理包之间的依赖关系。

二、创建ROS工作空间的步骤

2.1 安装ROS

在开始创建工作空间之前，确保已在Ubuntu 20.04上正确安装了ROS。以ROS Noetic为例，安装步骤如下：

bash 复制代码

sudo apt update
sudo apt install ros-noetic-desktop-full

安装完成后，初始化ROS环境：

bash 复制代码

echo "source /opt/ros/noetic/setup.bash" >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc

2.2 安装Catkin工具

确保已安装Catkin构建工具：

bash 复制代码

sudo apt install ros-noetic-catkin

2.3 创建工作空间目录结构

使用mkdir -p命令创建工作空间及其子目录：

bash 复制代码

mkdir -p ~/catkin_pointcloudmap_ws/src

mkdir：创建目录。
-p：递归创建多级目录，如果目录已存在则不报错。
~/catkin_pointcloudmap_ws/src：在用户主目录下创建名为catkin_pointcloudmap_ws的工作空间，并在其中创建src子目录，用于存放ROS包的源代码。

2.4 初始化工作空间

切换到src目录并初始化工作空间：

bash 复制代码

cd ~/catkin_pointcloudmap_ws/src
catkin_init_workspace

catkin_init_workspace：在当前src目录中生成一个CMakeLists.txt文件，该文件链接到Catkin的顶层CMake配置文件，为后续的构建过程做准备。

2.5 返回工作空间根目录并编译

切换回工作空间根目录并使用catkin_make编译工作空间：

bash 复制代码

cd ~/catkin_pointcloudmap_ws
catkin_make

catkin_make：编译工作空间中的所有ROS包。此命令会自动检测src目录下的包，解析依赖关系，并进行编译。编译完成后，会生成build和devel目录，其中devel目录包含编译后的文件和环境设置脚本。

2.6 配置环境变量

为了在每次打开新终端时自动加载工作空间的环境变量，将以下命令添加到~/.bashrc文件中：

bash 复制代码

echo "source ~/catkin_pointcloudmap_ws/devel/setup.bash" >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc

echo "source ~/catkin_pointcloudmap_ws/devel/setup.bash" >> ~/.bashrc：将环境配置命令追加到~/.bashrc文件。
source ~/.bashrc：立即应用~/.bashrc中的更改，使得环境变量生效。

2.7 验证ROS包路径

通过以下命令查看ROS包路径，确保新创建的工作空间已被正确添加：

bash 复制代码

echo $ROS_PACKAGE_PATH

输出应包含~/catkin_pointcloudmap_ws/src，例如：

/home/username/catkin_pointcloudmap_ws/src:/opt/ros/noetic/share

三、`catkin_init_workspace`与`catkin_make`的作用及区别

3.1 `catkin_init_workspace`

作用：初始化ROS工作空间的src目录，生成一个CMakeLists.txt文件，该文件链接到Catkin的顶层CMake配置文件。
使用时机：在创建新的ROS工作空间并首次添加ROS包之前运行一次。
工作流程 ：
1. 在src目录中生成CMakeLists.txt链接文件。
2. 为后续的构建过程提供必要的CMake配置。

3.2 `catkin_make`

作用：编译整个ROS工作空间中的所有ROS包，处理依赖关系，生成可执行文件和其他构建产物。
使用时机：每当添加新的ROS包、修改现有包的代码或更新依赖关系时运行。
工作流程 ：
1. 在工作空间根目录执行，自动检测src目录下的所有ROS包。
2. 解析包之间的依赖关系，确定编译顺序。
3. 调用CMake和Make工具进行配置和编译。
4. 生成build和devel目录，包含编译结果和环境设置脚本。

3.3 区别

特性	`catkin_init_workspace`	`catkin_make`
主要功能	初始化`src`目录，生成`CMakeLists.txt`链接文件	编译整个工作空间，处理依赖关系，生成构建产物
使用时机	创建新工作空间时首次运行	每次添加/修改包或依赖关系时运行
执行位置	在`src`目录内运行	在工作空间根目录运行
依赖关系处理	不处理，主要用于初始化	自动解析并处理包之间的依赖关系
生成的文件	`CMakeLists.txt`链接文件	`build`、`devel`目录及其内容

3.4 是否包含关系

catkin_make不包含catkin_init_workspace的功能。catkin_init_workspace用于初始化工作空间，而catkin_make用于编译工作空间。两者在功能和使用时机上是互补的，且通常需要先使用catkin_init_workspace初始化工作空间后，再使用catkin_make进行编译。

注意：在某些ROS版本或配置中，catkin_make可能会在检测到未初始化的工作空间时自动执行初始化步骤，但为了保证跨环境和版本的一致性，建议遵循标准步骤，先运行catkin_init_workspace，再运行catkin_make。

四、示例：创建并编译一个简单的ROS工作空间

以下示例展示了如何在Ubuntu 20.04中创建一个名为catkin_pointcloudmap_ws的ROS工作空间，并编译其中的ROS包。

4.1 创建工作空间目录结构

bash 复制代码

mkdir -p ~/catkin_pointcloudmap_ws/src

4.2 初始化工作空间

bash 复制代码

cd ~/catkin_pointcloudmap_ws/src
catkin_init_workspace

4.3 返回根目录并编译

bash 复制代码

cd ~/catkin_pointcloudmap_ws
catkin_make

4.4 配置环境变量

bash 复制代码

echo "source ~/catkin_pointcloudmap_ws/devel/setup.bash" >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc

4.5 创建一个示例ROS包

在src目录中创建一个名为hello_world的ROS包：

bash 复制代码

cd ~/catkin_pointcloudmap_ws/src
catkin_create_pkg hello_world std_msgs rospy roscpp

4.6 添加简单的节点代码

4.6.1 创建发布者节点

在hello_world包中创建src/talker.cpp：

cpp 复制代码

// ~/catkin_pointcloudmap_ws/src/hello_world/src/talker.cpp
#include "ros/ros.h"
#include "std_msgs/String.h"

int main(int argc, char **argv)
{
  ros::init(argc, argv, "talker");
  ros::NodeHandle nh;
  ros::Publisher chatter_pub = nh.advertise<std_msgs::String>("chatter", 1000);
  ros::Rate loop_rate(10);

  while (ros::ok())
  {
    std_msgs::String msg;
    msg.data = "Hello, ROS!";
    ROS_INFO("%s", msg.data.c_str());
    chatter_pub.publish(msg);
    ros::spinOnce();
    loop_rate.sleep();
  }

  return 0;
}

4.6.2 创建订阅者节点

在hello_world包中创建src/listener.cpp：

cpp 复制代码

// ~/catkin_pointcloudmap_ws/src/hello_world/src/listener.cpp
#include "ros/ros.h"
#include "std_msgs/String.h"

void chatterCallback(const std_msgs::String::ConstPtr& msg)
{
  ROS_INFO("I heard: [%s]", msg->data.c_str());
}

int main(int argc, char **argv)
{
  ros::init(argc, argv, "listener");
  ros::NodeHandle nh;
  ros::Subscriber sub = nh.subscribe("chatter", 1000, chatterCallback);
  ros::spin();
  return 0;
}

4.7 更新`CMakeLists.txt`

编辑hello_world包的CMakeLists.txt，添加可执行文件的构建指令：

cmake 复制代码

# ~/catkin_pointcloudmap_ws/src/hello_world/CMakeLists.txt
cmake_minimum_required(VERSION 3.0.2)
project(hello_world)

find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS
  roscpp
  std_msgs
)

catkin_package()

include_directories(
  ${catkin_INCLUDE_DIRS}
)

add_executable(talker src/talker.cpp)
target_link_libraries(talker ${catkin_LIBRARIES})

add_executable(listener src/listener.cpp)
target_link_libraries(listener ${catkin_LIBRARIES})

4.8 编译工作空间

回到工作空间根目录并编译：

bash 复制代码

cd ~/catkin_pointcloudmap_ws
catkin_make

编译完成后，devel目录下将生成talker和listener两个可执行文件。

4.9 运行节点

打开两个终端，分别运行发布者和订阅者节点。

终端1：运行发布者

bash 复制代码

source ~/catkin_pointcloudmap_ws/devel/setup.bash
rosrun hello_world talker

终端2：运行订阅者

bash 复制代码

source ~/catkin_pointcloudmap_ws/devel/setup.bash
rosrun hello_world listener

运行后，订阅者终端将显示发布者发布的"Hello, ROS!"消息，实现基本的消息传递功能。

五、总结

在Ubuntu 20.04中创建和管理ROS工作空间是ROS开发流程中的基础步骤。通过使用catkin_init_workspace初始化工作空间的src目录，再利用catkin_make编译整个工作空间，开发者能够高效地组织和构建ROS包。理解catkin_init_workspace与catkin_make的作用及其区别，有助于在实际开发中更加灵活和高效地管理ROS项目。通过本文的详细步骤和示例，读者应能够顺利创建并编译一个功能简单的ROS工作空间，为进一步的机器人应用开发打下坚实基础。

在Ubuntu 20.04中创建ROS工作空间：catkin_init_workspace与catkin_make的作用、工作流程及其区别