ROS2 - C++工程创建和工程解析

news2025/1/17 21:53:03

ROS2 系列文章目录

文章目录

  • ROS2 系列文章目录
  • 前言
  • 1. 安装构建工具colcon
    • 1.1 简介
    • 1.2 安装colcon
  • 2. 创建工作空间
    • 2.1 创建一个工作目录
  • 3 创建一个C++软件包
  • 4. 编写发布者节点
    • 4.1 使用wget获取一个模板
    • 4.2 代码解读
    • 4.2 添加依赖项
    • 4.3 修改CmakeLists.txt
  • 5. 编写订阅者节点
    • 5.1 获取代码
    • 5.2 代码解读
    • 5.2 添加依赖项
    • 5.3 修改CMakeLists.txt
  • 6. 编译和运行
    • 6.1 检查是否缺少依赖项
    • 6.2 编译
    • 6.3 编译成功
    • 6.4 加载setup.sh
    • 6.5 运行
  • 7. 参考链接

前言

本文主要介绍如何创建、编写、编译、运行ROS2的C++工程。
开发环境是基于Ubuntu的Linux虚拟机。

本文中很多的学习资源来源于ROS2官网

1. 安装构建工具colcon

1.1 简介

colcon是对 ROS 构建工具catkin_make、catkin_make_isolated、catkin_tools和ament_tools的迭代。

据我初步了解ROS1使用的是catkin_make、catkin_make_isolated、catkin_tools。而ROS2使用的是ament_tools，这带来一些问题就是ROS1和ROS2都属于ROS但是却使用不同的构建工具进行编译。

后面ROS想要做一个通用的构建工具，同时这个工具和特定的所支持的构建系统命名无关，然后就有了现在的colcon。

对于嵌入式开发者来说，可以理解为其是一个在Cmake之上的工具。它能够调用cmake去管理和编译c++功能，也能调用其他类似于Cmake之类的构建系统去进行别的构建。

同时它支持了例如创建ROS2的C++工程以及python工程等之类的功能。

在本文中它的主要作用是创建c++工程以及执行编译。

1.2 安装colcon

sudo apt install python3-colcon-common-extensions

2. 创建工作空间

ROS工作空间是一个具有特定结构的目录，通常有一个“src”子目录，用于存放ROS软件包源代码。

这个工作空间大家可以理解为就是ROS2 约定好的一个工作目录，例如它有一个build目录，是用于存放编译过程产生的信息的。

那么为啥要约定这么一个目录呢？我个人认为有以下几点。

  1. 按照这种方式去创建目录，更方便我们后续的开发，毕竟是官方提供的建议肯定是有一定依据的。
  2. 大家想一想如果我们随意按照自己喜欢的风格去创建目录结构，那么使用colcon编译过程中它怎么知道把这些信息放在哪里？如果再自己一点点的去配置不是会很麻烦吗。

2.1 创建一个工作目录

mkdir -p ~/ros2_ws/src
cd ~/ros2_ws/src

在创建一个C++的软件包前，我们需要先手动创建一个工作空间，用于存放ROS2的软件包。通过执行上方的指令我们创建出来一个ros2_ws的工作空间，其中/ros2_ws/src 是用于存放软件包的。

额外说明
当我们通过colcon进行编译后，将会出现新的文件夹
（可以等编译之后查看）

例如我们通过

git clone https://github.com/ros2/examples src/examples -b rolling

将一个examples存储库克隆到~/ros2_ws/src 目录下。

.
└── src
    └── examples
        ├── CONTRIBUTING.md
        ├── LICENSE
        ├── rclcpp
        ├── rclpy
        └── README.md

现在src目录中ROS2的示例代码目录结构。
在工作空间的根目录下，运行

colcon build --symlink-install

构建完成后将会看到如下的目录结构

.
├── build
├── install
├── log
└── src

“build”目录将是存储中间文件的地方。对于每个包，将在其中创建一个子文件夹，例如在该子文件夹中调用 CMake
“install”目录是每个软件包将被安装到的位置。默认情况下，每个软件包将被安装到一个单独的子目录中。
"log" 目录包含关于每次 colcon 调用的各种日志信息。

3 创建一个C++软件包

创建完工作空间 ros2_w 后，我们需要在ros2_w/src/目录下去创建我们自己的C++包

ros2 pkg create --build-type ament_cmake --license Apache-2.0 cpp_pubsub

进入到ros2_w/src/ 目录，然后执行上述指令。 cpp_pubsub是包名， ament_cmake代表我们创建的是一个使用C++工程

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

4. 编写发布者节点

当按照上面的操作成功创建出软件包后。

我们需要进入ros2_ws/src/cpp_pubsub/src 目录，这是CMake包中包含可执行文件的源文件所在的目录。
所以我们写的源代码要放到该目录

4.1 使用wget获取一个模板

wget -O publisher_lambda_function.cpp https://raw.githubusercontent.com/ros2/examples/rolling/rclcpp/topics/minimal_publisher/lambda.cpp

进入到ros2_ws/src/cpp_pubsub/src 目录，运行上述指令，将从github上拉去一个publisher的demo，对应文件名为publisher_lambda_function.cpp

如果拉不到可以直接创建一个publisher_lambda_function.cpp的文件，并将下面的代码拷贝进去
源代码如下所示：

#include <chrono>
#include <memory>
#include <string>
#include "rclcpp/rclcpp.hpp"
#include "std_msgs/msg/string.hpp"

using namespace std::chrono_literals;

/* This example creates a subclass of Node and uses a fancy C++11 lambda
* function to shorten the callback syntax, at the expense of making the
* code somewhat more difficult to understand at first glance. */

class MinimalPublisher : public rclcpp::Node
{
public:
  MinimalPublisher()
  : Node("minimal_publisher"), count_(0)
  {
    publisher_ = this->create_publisher<std_msgs::msg::String>("topic", 10);
    auto timer_callback =
      [this]() -> void {
        auto message = std_msgs::msg::String();
        message.data = "Hello, world! " + std::to_string(this->count_++);
        RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "Publishing: '%s'", message.data.c_str());
        this->publisher_->publish(message);
      };
    timer_ = this->create_wall_timer(500ms, timer_callback);
  }

private:
  rclcpp::TimerBase::SharedPtr timer_;
  rclcpp::Publisher<std_msgs::msg::String>::SharedPtr publisher_;
  size_t count_;
};

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

4.2 代码解读

第一段

#include <chrono>
#include <memory>
#include <string>
//上面包含了C++库的标准头文件

#include "rclcpp/rclcpp.hpp"   //包含了ROS2系统中最常见的部分接口
#include "std_msgs/msg/string.hpp" //包含了用于发布消息的内置消息类型

using namespace std::chrono_literals;

chrono_literals它引入了 chrono 库中的字面量后缀，使得我们能够直接使用时间字面量（比如 1s, 500ms, 2min 等）
来指定时间常量，而不需要显式地使用
std::chrono::seconds,
std::chrono::milliseconds 等类型
第二段

一个继承自rclcpp::Node的MinimalPublisher新节点类。
后续代码中的this 都是指代该新节点
class MinimalPublisher : public rclcpp::Node

MinimalPublisher()
  : Node("minimal_publisher"), count_(0)
在构建MinimalPublisher对象时，会创建一个名为minimal_publisher的节点，
并将count_变量初始化为0

 publisher_ = this->create_publisher<std_msgs::msg::String>("topic", 10);
创建一个String消息类型的topic，并初始化其队列大小为10

auto timer_callback =
     [this]() -> void {
       auto message = std_msgs::msg::String();
       message.data = "Hello, world! " + std::to_string(this->count_++);
       RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "Publishing: '%s'", message.data.c_str());
       this->publisher_->publish(message);
     };
   timer_ = this->create_wall_timer(500ms, timer_callback);
 }
 
声明一个名为timer_callback 的 lambda 函数。
它执行当前对象 this 的按引用捕获，不接受输入参数并返回 void。
timer_callback 函数创建一个 String 类型的新消息，使用所需的字符串设置其数据并发布它。
RCLCPP_INFO 宏确保将每条发布的消息打印到控制台。

最后初始化timer_，使其每500ms调用一次上面的回调函数

private:
 rclcpp::TimerBase::SharedPtr timer_;
 rclcpp::Publisher<std_msgs::msg::String>::SharedPtr publisher_;
 size_t count_;
这些是一些私有变量字段的声明

第三段

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

main函数中则是负责初始化让节点运行，并最终关闭ROS2的环境

rclcpp::spin 是一个函数，它将节点传递给它并让节点保持运行，直到程序被显式地关闭
（如用户按下 Ctrl+C）退出。

spin 函数在 ROS 2 中用来不断执行节点中的回调函数并维持节点生命周期，
通常用于订阅回调、定时器回调等。个人觉得spin里面的实现应该是类似于一个while(1){ }

4.2 添加依赖项

返回到 ros2_ws/src/cpp_pubsub 目录
打开package.xml在ament_cmake构建工具依赖项后添加一个新的行，并粘贴与我哦们节点的包含语句相对应的以下依赖

<depend>rclcpp</depend>
<depend>std_msgs</depend>

这声明了在构建和执行其代码时，该软件包需要rclcpp和std_msgs

4.3 修改CmakeLists.txt

  1. 打开 CMakeLists.txt 文件。在现有的依赖项 find_package(ament_cmake REQUIRED) 下面，添加以下行：

    find_package(rclcpp REQUIRED)
find_package(std_msgs REQUIRED)

  2. 之后添加可执行文件，并将其命名为talker，这样我们就可以使用ros2 run运行节点了

    add_executable(talker src/publisher_lambda_function.cpp)
ament_target_dependencies(talker rclcpp std_msgs)

  3. 最后，添加install(TARGETS…)部分，以便ros2 run可以找到我们的可执行文件

    install(TARGETS
  talker
  DESTINATION lib/${PROJECT_NAME})

  4. 最终

    cmake_minimum_required(VERSION 3.5)
project(cpp_pubsub)

# Default to C++14
if(NOT CMAKE_CXX_STANDARD)
  set(CMAKE_CXX_STANDARD 14)
endif()

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

find_package(ament_cmake REQUIRED)
find_package(rclcpp REQUIRED)
find_package(std_msgs REQUIRED)

add_executable(talker src/publisher_lambda_function.cpp)
ament_target_dependencies(talker rclcpp std_msgs)

install(TARGETS
  talker
  DESTINATION lib/${PROJECT_NAME})

ament_package()

5. 编写订阅者节点

5.1 获取代码

返回ros2_ws/src/cpp_pubsub/src以创建下一个节点。在终端中输入以下代码：

wget -O subscriber_lambda_function.cpp https://raw.githubusercontent.com/ros2/examples/rolling/rclcpp/topics/minimal_subscriber/lambda.cpp

确保publisher_lambda_function.cpp 和subscriber_lambda_function.cpp都存在

如果拉不到可以直接创建一个subscriber_lambda_function.cpp的文件，并将下面的代码拷贝进去
源代码如下所示：

#include <memory>

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

class MinimalSubscriber : public rclcpp::Node
{
public:
  MinimalSubscriber()
  : Node("minimal_subscriber")
  {
    auto topic_callback =
      [this](std_msgs::msg::String::UniquePtr msg) -> void {
        RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "I heard: '%s'", msg->data.c_str());
      };
    subscription_ =
      this->create_subscription<std_msgs::msg::String>("topic", 10, topic_callback);
  }

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

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

5.2 代码解读

第一段

#include <memory>

#include "rclcpp/rclcpp.hpp"
#include "std_msgs/msg/string.hpp"
在头文件包含这块两边基本上都是相同的含义

第二段

class MinimalSubscriber : public rclcpp::Node
订阅者节点是继承Node 创建一个新的类MinimalSubscriber

public:
  MinimalSubscriber()
  : Node("minimal_subscriber")
  {
    auto topic_callback =
      [this](std_msgs::msg::String::UniquePtr msg) -> void {
        RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "I heard: '%s'", msg->data.c_str());
      };
    subscription_ =
      this->create_subscription<std_msgs::msg::String>("topic", 10, topic_callback);
  }
  
订阅者和发布者相比没有了定时器，因为订阅者只是在数据发布到topic时进行响应。
topic_callback”函数接收通过主题发布的字符串消息数据，并使用“RCLCPP_INFO”宏将其简单地写入控制台。

private:
  rclcpp::Subscription<std_msgs::msg::String>::SharedPtr subscription_;
  私有变量

第三段

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

main函数中则是负责初始化让节点运行，并最终关闭ROS2的环境

rclcpp::spin 是一个函数，它将节点传递给它并让节点保持运行，直到程序被显式地关闭
（如用户按下 Ctrl+C）退出。

spin 函数在 ROS 2 中用来不断执行节点中的回调函数并维持节点生命周期，
通常用于订阅回调、定时器回调等。个人觉得spin里面的实现应该是类似于一个while(1){ }

5.2 添加依赖项

由于此节点与发布者节点具有相同的依赖项，因此无需向package.xml添加任何新内容。

5.3 修改CMakeLists.txt

重新打开 CMakeLists.txt 文件，并在发布者的条目下方为订阅者节点添加可执行文件和目标

add_executable(listener src/subscriber_lambda_function.cpp)
ament_target_dependencies(listener rclcpp std_msgs)

install(TARGETS
  talker
  listener
  DESTINATION lib/${PROJECT_NAME})

6. 编译和运行

6.1 检查是否缺少依赖项

像此次我们依赖了rclcpp和std_msgs软件包，当然这两个软件包在安装ROS2时就顺带安装了。
但是后续可能有些其他的软件包需要我们单独安装。

所以我们可以先使用rosdep检查是否缺少依赖项，防止后面编译出错排查大半天。

这个指令要在ros2_ws/目录下执行

rosdep install -i --from-path src --rosdistro rolling -y

在这里插入图片描述

6.2 编译

在工作空间的根目录ros2_ws中，编译我们的软件包，

colcon build --packages-select cpp_pubsub

这代表着编译cpp_pubsub包。 相当于执行了该软件包的cmake并进行make.

编译过程中碰到的问题

在这里插入图片描述
编译过程中碰到了这种问题。
这个错误提示我们没有缺少catklink_tools,这个一般是ROS1中使用。
但是这里为啥会使用到我也不是特别清楚，我们就安装就完事了,缺啥补啥。

执行下方的指令进行安装。

pip3 install catkin_pkg
pip3 install lark

上面的指令最好是能在访问外网的情况下执行，如果没有梯子的话，可能会提示下方的问题
在这里插入图片描述

那么可以参考
【Python学习：解决pip总是WARNING: Retrying (Retry(total=4…】
如果上面的方式还不行大家可以检查下自己虚拟机的http和https的代理地址是否正确。

6.3 编译成功

在这里插入图片描述
就是编译的有点慢

6.4 加载setup.sh

打开一个新的终端后，要先加载设置文件。设置必要的环境变量，确保ROS2相同能够正常运行。
环境变量包括 ROS 2 的安装路径、库路径、消息和服务的定义路径等。

在ros2_ws 目录下

source ./install/setup.sh

6.5 运行

运行发布节点（新终端）

ros2 run cpp_pubsub talker

运行监听节点（新终端）

ros2 run cpp_pubsub listener

在这里插入图片描述

7. 参考链接

Writing a simple publisher and subscriber (C++)【官方教程】
Using colcon to build packages【官方教程】
Python学习：解决pip总是WARNING: Retrying (Retry(total=4…

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