ROS 学习笔记 (二)—— ros 文件系统：Catkin & 工作空间 & ROS功能包

Creating a ROS Package
Building a ROS Package
ROS学习之catkin CMakeList.txt

ROS 工作空间、package 及 catkin 编译系统

1. Catkin编译系统 & Catkin 工作空间

1.1 catkin 编译系统

源代码要经过编译才能在系统上运行。linux下的编译器有gcc、g++,随着源文件的增加，又相继发展出了Makefile、CMake编译工具。CMake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。Catkin 是 ROS 基于CMake的编译构建系统。

ROS原始的编译和打包系统是rosbuild，而ROS 官方自 ROS Groovy 版本开始指定用catkin系统取代了之前的 rosbuild 。 catkin结合了CMake宏和Python脚本，以在CMake的正常工作流程之上提供一些功能。 catkin比rosbuild设计的更规范，可以更好地分发软件包，具有更好交叉编译支持和更好的可移植性。 catkin的工作流程与CMake的工作流程非常相似，但是增加了对自动“find package”基础结构的支持，并能够同时构建多个相关项目。

Catkin扩展了CMake，将 cmake 与 make 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：

• 软件包编译后无需安装就可使用
• 自动生成 find_package() 代码，pkg-config文件
• 解决了多个软件包构建顺序问题
• 一次配置，多次使用
• 跨依赖项目编译

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， 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package.xml，
  找到其他依赖的catkin软件包 ，
  将本软件包添加到环境变量。

如果要深入研究 catkin_make 编译方式，可以参考:ROS 编译系统 catkin 详解。

1.2 使用 catkin 进行编译

参考：catkin/commands/catkin_make.

要用catkin编译一个工程或软件包，只需要用 catkin_make 命令行工具。一般当我们写完代码，执行 一次 catkin_make 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：

cd ~/catkin_ws #回到工作空间,catkin_make必须在工作空间下执行
catkin_make #开始编译
source ~/catkin_ws/devel/setup.bash #刷新坏境

注意: catkin编译之前需要回到工作空间目录， catkin_make 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，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。如果在~/.bashrc文件夹添加了source ~/catkin_ws/devel/setup.bash 语句，打开新终端即可刷新环境。

catkin_make 简化了catkin 的标准工作流程。你可以认为catkin_make是在CMake标准工作流程中依次调用了cmake 和 make。catkin_make命令等效于：

# cd ~/catkin_ws
cd src
catkin_init_workspace
cd ..
mkdir build
cd build
cmake ../src -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=../install -DCATKIN_DEVEL_PREFIX=../devel
make

catkin_make，会一次性编译 src 文件夹中的所有源文件，同时生成 devel 和 build 两个文件夹。catkin编译的工作流程如下：

1. 首先catkin编译系统会在工作空间 catkin_ws/src/ 下递归的查找编译每一个package源代码包。
2. package中会有 package.xml 和 CMakeLists.txt 文件，Catkin(CMake)编译系统依据CMakeLists.txt文件生成makefiles(放在 catkin_ws/build/)。
3. 然后make刚刚生成的 makefiles 等文件，编译链接生成可执行文件(放在catkin_ws/devel)。

• build 文件夹存放编译过程中的缓存文件和中间过渡文件
• devel 文件夹存放编译之后生成的目标文件（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。

devel 和 build 两个文件夹由catkin系统自动生成、管理，日常的开发一般不会去涉及。我们主要用到的是 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devel文件夹中有一个比较特殊的文件 setup.(ba)sh，只要通过 source 命令加载了这个 setup 文件（source devel/setup.bash），就相当于编译之后的文件安装在了本机中，可以直接调用他们 （Sourcing any of these files will overlay this workspace on top of your environment.）。等测试没有问题了，再考虑 install 和 share with other developers.

2. catkin 工作空间

2.1 ros 文件系统

Catkin工作空间（workspace）是创建、修改、编译catkin软件包的目录。 简单地说，ros工作空间就是统一存放 ROS 文件的文件夹，一个项目的所有 ROS 文件都放在一个 workspace 中，便于统一管理、编译和调用。

工作空间构成：

• 源文件空间：src 文件夹，放置功能包（package）源文件。
• 编译空间：build 文件夹，c++编译过程中产生的中间文件。基本不用关心。
• 开发空间：devel 文件夹，保存编译后生成的目标文件和环境变量。
• 安装空间：install文件夹，用 install 指令安装成功的包的放置位置。

2.2 创建工作空间

参考：create_a_workspace

create and build a catkin workspace：

mkdir -p ~/catkin_ws/src  # -p （parent）参数可以创建某个文件夹和它的父文件夹，也就是两层的路径
cd ~/catkin_ws/
catkin_make # 初始化工作空间

注：有些教程仍然保留了原先的初始化命令 catkin_init_workspace。 catkin_init_workspace会在src目录下创建一个CMakeLists.txt 文件，这实际上是一个链接到ROS 安装目录下的 /opt/ros/melodic/share/catkin/cmake/toplevel.cmake 一个超链接文件，对工作空间做了一些初始设置。仅当以后要手动调用cmake,make之类的内容时，才需要使用它。catkin_make命令就包含了catkin_init_workspace的工作。因此，通常不必自己调用catkin_init_workspace。

运行完 catkin_make 指令后会在工作空间出现build和 devel 两个文件夹。在 devel 文件夹中有几个 setup.*sh文件，Sourcing 该文件会将此工作空间覆盖到你的环境的最顶端：source devel/setup.bash.

为确保setup脚本正确覆盖您的工作区，请确保ROS_PACKAGE_PATH环境变量包含您所在的目录：
echo $ROS_PACKAGE_PATH /home/youruser/catkin_ws/src:/opt/ros/kinetic/share

ROS Melodic和更早版本中的Python 3用户：请注意，如果要从源代码构建ROS以实现Python 3兼容性，并已正确设置系统（即：已安装所有必需ROS Python软件包的Python 3版本，例如catkin）,在干净的catkin工作区中的第一个catkin_make命令必须是：
catkin_make-DPYTHON_EXECUTABLE = /usr/bin/python3
这将使用Python 3配置catkin_make。然后，您可以继续使用catkin_make进行后续构建。

3. package 功能包

package 是 ros 软件的基本组成形式，catkin 编译的基本单元，调用 catkin_make 编译的对象就是一个个ROS的package，也就是说任何ROS程序只有组织成 package才能编译。无论是C++还是Python 源代码都要放到package中，这样才能正常的编译和运行。一个 package 包含多个可执行文件（节点）。一个package下常见的文件、路径有：

前面提到，catkin编译系统会在工作空间 catkin_ws/src/ 下递归的查找编译每一个package源代码包。因此可以将几个package包放到同一个src文件夹下。但要注意 package 之间不能嵌套，也就是在一个 package 中，不能再创建另一个 package ，所有 package 都必须是相对独立的目录。

rospack是对package管理的命令行工具。rosdep 是用于管理ROS package依赖项的命令行工具,一个较常使用的命令是rosdep install --from-paths src --ignore-src --rosdistro=kinetic -y,用于安装工作空间中src路径下所有package的依赖项（由pacakge.xml文件指定）。

ROS的package编译有两种方法，一种是用rosmake，这种方法简单；另一种是用 catkin_make，这种方法相对要复杂些，但更方便包的管理和开发，因此官方也建议使用第二种方式。这两种方法都是先建立工作空间workspace（类似于vs下的解决方案，用来管理很多的项目），然后建立包package（类似于vs下的项目），最后利用rosmake或者catkin_make进行编译和运行。

下面只介绍 catkin 创建及编译 package 的方法。

catkin package 必须满足三个条件：

1. package 中必须包含符合catkin的package.xml文件，该文件描述package的包名、版本号、作者、依赖等信息。
2. package 中必须包含使用catkin的CMakeLists.txt。CMakeLists.txt定义package的包名、依赖、源文件、目标文件等编译规则。
3. 每个 package 必须有自己的文件夹。即，没有嵌套软件包，也没有多个软件包共享同一目录。

最简单的package只包含两个文件：CMakeLists.txt、package.xml。

3.1 CMakeList.txt 文件解读

ros wiki CMakeList.txt
CMakeLists.txt 语法介绍与实例演练

CMakeLists.txt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 CMakeLists.txt 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 CMakeLists.txt 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 CMakeLists.txt ，然后按照规则来编译构建。

CMakeLists.txt总体结构如下：

generate_messages(DEPENDENCIES geometry_msgs std_msgs std_srvs)
#在add_message_files、add_service_files宏之后必须加上这句话，用于生成srv msg头文件/module，生成的文件位于devel/include中.

catkin_package(CATKIN_DEPENDS geometry_msgs message_runtime std_msgs std_srvs)
# catkin宏命令，用于配置ROS的package配置文件和CMake文件
# 这个命令必须在add_library()或者add_executable()之前调用，该函数有5个可选参数：
# (1) INCLUDE_DIRS - 导出包的include路径
# (2) LIBRARIES - 导出项目中的库
# (3) CATKIN_DEPENDS - 该项目依赖的其他catkin项目
# (4) DEPENDS - 该项目所依赖的非catkin CMake项目。
# (5) CFG_EXTRAS - 其他配置选项

3.2 package.xml 文件解读

ros wiki package.xml

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 manifest.xml ，用于描述pacakge的基本信息。

pacakge.xml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rospack find 、 rosdep 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 package.xml 的渠道。

pacakge.xml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 pacakge.xml 通常包含以下标签:

在新版本（format2）中，包含的标签为：

.
用depend整合了build_depend，build_export_depend和run_depend。
run_depend 改为了exec_depend。

3.3 创建功能包

参考：CreatingPackage

创建 package 要用catkin_create_pkg指令。

cd ~/catkin_ws/src/
# 创建test_pkg功能包，同时指明依赖std_msgs rospy roscpp
catkin_create_pkg test_pkg std_msgs rospy roscpp

这将会在 src 目录下创建一个名为test_pkg的文件夹，这个文件夹里面包含一个package.xml文件和一个CMakeLists.txt文件，这两个文件都已经自动包含了部分你在执行catkin_create_pkg命令时提供的信息。创建时也可以不指明依赖关系，在后续编译 package 的时候再补上。

3.4 编译功能包

catkin_make 是一个命令行工具，它简化了catkin 的标准工作流程。你可以认为catkin_make是在CMake标准工作流程中依次调用了cmake 和 make。
catkin是ROS的官方编译系统，是原始ROS编译系统rosbuild的继承者。 catkin结合了CMake宏和Python脚本，以在CMake的正常工作流程之上提供一些功能。 catkin比rosbuild设计的更规范，可以更好地分发软件包，具有更好交叉编译支持和更好的可移植性。 catkin的工作流程与CMake的工作流程非常相似，但是增加了对自动“find package”基础结构的支持，并能够同时构建多个相关项目。

cd ~/catkin_ws/
catkin_make

上述命令将构建〜/ catkin_ws / src中的所有软件包。

如果你想只build工作空间中的某些功能包，可以设置whitelist：

cd ~/catkin_ws/
catkin_make -DCATKIN_WHITELIST_PACKAGES="package1;package2"
# or
catkin_make --pkg package1 package2  # 不过这个命令好像不太有效

不过白名单是有记忆的，如果想还原为 build 所有的 package：

catkin_make -DCATKIN_WHITELIST_PACKAGES=""

参考：How to build just one package using catkin_make?

4. pacakge中的其他文件类型

4.1 launch文件

4.2 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，为程序的发者所设计的数据结构，这 类的文件以 .msg , .srv , .action 结尾，通常放在package的 msg/ , srv/ , action/ 路径下。

4.3 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。

4.4 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 param/ 路径 下

4.5 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

4.6 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。