如何从零开始构建一个ros开发项目？

前言

最近在尝试实时处理一些传感器的数据，在启动传感器驱动之后，传感器数据会以ros话题的形式发布，如果要实时处理数据，那么就需要订阅相关数据话题，处理之后再发布出来。这就涉及到了linux系统下的代码编写，而一个ros项目，应该包含哪些模块，又该怎么构建一个标准的ros开发项目呢？本文将详细介绍。注意：做以下步骤时，请检查自己是否正确安装了ros，并进行相关环境的配置，本文使用的ros版本为ros1

一、ROS包生成及文件配置

一个ros开发项目通常包含一个或多个ROS包，"ROS包"（ROS Package）是机器人操作系统（Robot Operating System, ROS）中软件组织和分发的基本单元。你可以把它理解为编程中的"项目文件夹"或"模块"。在ROS生态系统中，所有的功能代码、库、配置文件和数据都是被组织成一个个独立的"包"来管理的。举个例子，如果我要构建一个自主导航系统，假设我把过程分为三部，第一步是处理传感器数据，第二步是目标检测与跟踪，第三步说自主导航与避障，那么我就可以每个模块写一个ROS包，通过数据话题的交互来实现不同模块之间的数据交流。

那么问题来了，怎么去构建一个ROS包，ROS包里面又包含哪些内容呢？

表1 ros包通常包含的内容

|----------------|-------------------------------------------------------------------------------------------------|
| package.xml | 清单文件 。这是包的"身份证"，描述了包的名称、版本、作者、许可证，以及最重要的------依赖关系（即运行或编译这个包需要其他哪些包）。 |
| CMakeLists.txt | 构建规则文件（针对C++项目）。它告诉ROS的构建系统（catkin或colcon）如何编译包中的源代码，生成可执行文件或库。如果是纯Python包，可能不需要这个或使用简化的版本。 |
| src/ | 存放源代码（C++或Python）。 |
| include/ | 存放C++头文件 |
| launch/ | 存放启动文件，用于一次性启动多个节点。 |
| config/ | 存放配置文件（通常是YAML格式），用于设置参数 |
| msg/ | 分别存放自定义的消息类型 |

图1 项目包含内容示例

一个ROS包大致会有以上内容构成，，以ros1为例，我们构建一个ROS包可以执行以下命令：

bash 复制代码

catkin_create_pkg <包名> [依赖项1] [依赖项2] ... [依赖项N]

当你在终端运行这行命令后，系统会执行以下逻辑操作：

（1）创建目录：在当前路径下创建一个名为 pointcloud_fusion 的文件夹。

（2）生成 package.xml：

① 设置 <name> 为设置的包名。

② 自动将所有列出的依赖项填入 <build_depend> (编译依赖) 和 <exec_depend> (运行依赖) 标签中。

注意：catkin_create_pkg 默认会将所有列出的依赖同时视为编译和运行依赖。

（3）生成 CMakeLists.txt：

① 初始化一个基础的 CMake 文件。

② 自动添加 find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS ...)，并将你列出的所有依赖项填入其中。

③ 配置基本的编译选项（因为包含了 roscpp，它会准备 C++ 编译环境）。

**（4）创建空文件夹：**通常会预创建 src/, include/, config/ 等标准子目录（取决于具体的 ROS 版本和配置，有时需要手动创建 src）。

执行完命令之后，需要对CMakeLists.txt文件和package.xml文件做一定修改。

（1）CMakeLists.txt：添加add_executable（）和 target_link_libraries（）来编译你的 C++ 代码。

add_executable：告诉编译器"把哪些源代码文件编译成一个可执行程序（比如.exe或Linux下的二进制文件）"。

target_link_libraries：告诉链接器"这个程序在运行时需要依赖哪些库（比如ROS 的核心库、PCL 库、OpenCV 库等）"。

如果没有它们，你的代码即使写好了，也无法被编译成可以运行的节点。

（2） package.xml：补充 <description>, <maintainer>, <license> 等信息（工具生成的只是模板）。

文件配置好了之后，就进入了相关的代码编写阶段。

二、代码编写与调试

ros的开发一般常用的语言就两种，C++和python，python是相对简单的一种，使用的代码编辑器通常为跨平台轻量化的vscode，支持多种语言的编写，在官网下载即可。

（1）python：我们通常会构建一个隔离的conda环境或者虚拟环境，在里面安装各种我们想要的包，，构建的环境可以被视为一个解释器，在vscode中，我们只要选择正确的解释器就可以运行代码以及调试代码，相对简单。

（2）C++：在使用C++进行代码编写的时候，如果引用了一些第三方库，在vscode里面就会对头文件进行大量的报错，比如

cpp 复制代码

#include <ros/ros.h>
#include <sensor_msgs/PointCloud2.h>

一直报错肯定是会影响我们代码的编写的，所以我们需要进行一定的配置来解决这个问题。我推荐的方法是使用CMake Tools扩展，具体操作如下：

（1）第一步：安装CMake Tools扩展

（2）第二步：配置VSCode设置

在项目根目录创建 .vscode 文件夹，然后创建 settings.json

填充其内容为：

cpp 复制代码

{
    "cmake.configureOnOpen": true,
    "cmake.buildDirectory": "${workspaceFolder}/build",
    "cmake.generator": "Unix Makefiles",
    "cmake.sourceDirectory": "${workspaceFolder}",
    "cmake.parallelJobs": 4,
    "C_Cpp.default.configurationProvider": "ms-vscode.cmake-tools",
    "C_Cpp.errorSquiggles": "enabled",
    "C_Cpp.intelliSenseEngine": "default",
    "files.associations": {
        "*.h": "cpp",
        "*.hpp": "cpp",
        "*.cpp": "cpp"
    },

    "cmake.environment": {
        "CMAKE_PREFIX_PATH": "/opt/ros/noetic:${workspaceFolder}/devel",
        "ROS_PACKAGE_PATH": "/opt/ros/noetic/share:${workspaceFolder}/src"
    },
    
    "terminal.integrated.env.linux": {
        "CMAKE_PREFIX_PATH": "/opt/ros/noetic:${workspaceFolder}/devel",
        "ROS_PACKAGE_PATH": "/opt/ros/noetic/share:${workspaceFolder}/src",
        "LD_LIBRARY_PATH": "/opt/ros/noetic/lib"
    }
}

（3）第三步：配置CMake Tools的Kits

CMake Tools需要知道使用哪个编译器。按 Ctrl+Shift+P 打开命令面板：

输入 "CMake: Select a Kit" 并选择

选择您的编译器（通常是 GCC 或 Clang）

（4）第四步：配置和编译

打开VSCode，打开 fusion_cloud 文件夹，CMake Tools会自动检测CMakeLists.txt，并提示配置项目，点击"是"，或者手动配置：

按 Ctrl+Shift+P

输入 "CMake: Configure"

选择配置：

按 Ctrl+Shift+P

输入 "CMake: Set Build Target"

选择对应的文件名

编译项目：

按 Ctrl+Shift+P

输入 "CMake: Build"

完成这些步骤之后即可解决头文件报错的问题，进行正常的代码编写。

三、ROS工作空间的创建

（1）创建目录结构

bash 复制代码

# 创建工作空间目录（名称可自定义，通常叫 catkin_ws）
mkdir -p ~/catkin_ws/src
cd ~/catkin_ws/

（2）初始化工作空间

bash 复制代码

# 进入 src 目录初始化
cd ~/catkin_ws/src
catkin_init_workspace

（3）编译工作空间

bash 复制代码

cd ~/catkin_ws/
catkin_make

编译后会自动生成 build、devel 文件夹。

（4）添加已有包到工作空间

bash 复制代码

cp -r /path/to/existing_package ~/catkin_ws/src/

注意将路径改成本地包的路径。添加包或者修改代码之后，都需要重新编译

bash 复制代码

cd ~/catkin_ws
catkin_make

（5）启动ros项目

ros项目的启动一般使用launch文件，这个文件就相当于启动文件，基本结构如下：

XML 复制代码

<?xml version="1.0"?>
<launch>
    <!-- 节点定义 -->
    <node name="node_name" pkg="package_name" type="executable" />
</launch>

编写launch文件之后执行以下两步，即可完成项目启动

bash 复制代码

source ~/catkin_ws/devel/setup.bash
roslaunch my_package robot.launch

其中，my_package是包名，launch文件改为自己编写的launch文件。