ROS保姆级0基础入门教程⭐ |第一章 ROS的概述与环境搭建（4万字教程，建议收藏）

1 ROS简介

ROS诞生背景

机器人是一种高度复杂的系统性实现，机器人设计包含了机械加工、机械结构设计、硬件设计、嵌入式软件设计、上层软件设计…是各种硬件与软件集成，甚至可以说机器人系统是当今工业体系的集大成者。
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机器人体系是相当庞大的，其复杂度之高，以至于没有任何个人、组织甚至公司能够独立完成系统性的机器人研发工作。

一种更合适的策略是：让机器人研发者专注于自己擅长的领域，其他模块则直接复用相关领域更专业研发团队的实现，当然自身的研究也可以被他人继续复用。这种基于"复用"的分工协作，遵循了不重复发明轮子的原则，显然是可以大大提高机器人的研发效率的，尤其是随着机器人硬件越来越丰富，软件库越来越庞大，这种复用性和模块化开发需求也愈发强烈。

在此大背景下，于 2007 年，一家名为 柳树车库（Willow Garage） 的机器人公司发布了 ROS(机器人操作系统)，ROS是一套机器人通用软件框架，可以提升功能模块的复用性，并且随着该系统的不断迭代与完善，如今 ROS 已经成为机器人领域的事实标准。

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1.1 ROS概念

ROS全称Robot Operating System(机器人操作系统)

ROS是适用于机器人的开源元操作系统；

ROS集成了大量的工具，库，协议，提供类似OS所提供的功能，简化对机器人的控制；

还提供了用于在多台计算机上获取，构建，编写和运行代码的工具和库，ROS在某些方面类似于“机器人框架”；

ROS设计者将ROS表述为“ROS = Plumbing + Tools + Capabilities + Ecosystem”，即ROS是通讯机制、工具软件包、机器人高层技能以及机器人生态系统的集合体。
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1.2 ROS设计目标

机器人开发的分工思想，实现了不同研发团队间的共享和协作，提升了机器人的研发效率，为了服务“ 分工”，ROS主要设计了如下目标：

复用:ROS的目标不是成为具有最多功能的框架，ROS的主要目标是支持机器人技术研发中的代码重用。
分布式:ROS是进程（也称为Nodes）的分布式框架,ROS中的进程可分布于不同主机，不同主机协同工作，从而分散计算压力
松耦合:ROS中功能模块封装于独立的功能包或元功能包，便于分享，功能包内的模块以节点为单位运行，以ROS标准的IO作为接口，开发者不需要关注模块内部实现，只要了解接口规则就能实现复用,实现了模块间点对点的松耦合连接
精简：ROS被设计为尽可能精简，以便为ROS编写的代码可以与其他机器人软件框架一起使用。ROS易于与其他机器人软件框架集成：ROS已与OpenRAVE，Orocos和Player集成。
语言独立性：包括Java，C++，Python等。为了支持更多应用开发和移植，ROS设计为一种语言弱相关的框架结构，使用简洁，中立的定义语言描述模块间的消息接口，在编译中再产生所使用语言的目标文件，为消息交互提供支持，同时允许消息接口的嵌套使用
易于测试：ROS具有称为rostest的内置单元/集成测试框架，可轻松安装和拆卸测试工具。
大型应用：ROS适用于大型运行时系统和大型开发流程。
丰富的组件化工具包：ROS可采用组件化方式集成一些工具和软件到系统中并作为一个组件直接使用，如RVIZ（3D可视化工具），开发者根据ROS定义的接口在其中显示机器人模型等，组件还包括仿真环境和消息查看工具等
免费且开源：开发者众多，功能包多

1.3 ROS发展历程

ROS是一个由来已久、贡献者众多的大型软件项目。在ROS诞生之前，很多学者认为，机器人研究需要一个开放式的协作框架，并且已经有不少类似的项目致力于实现这样的框架。在这些工作中，斯坦福大学在2000年年中开展了一系列相关研究项目，如斯坦福人工智能机器人（STandford AI Robot, STAIR）项目、个人机器人（Personal Robots, PR）项目等，在上述项目中，在研究具有代表性、集成式人工智能系统的过程中，创立了用于室内场景的高灵活性、动态软件系统，其可以用于机器人学研究。

2007年，柳树车库（Willow Garage）提供了大量资源，用于将斯坦福大学机器人项目中的软件系统进行扩展与完善，同时，在无数研究人员的共同努力下，ROS的核心思想和基本软件包逐渐得到完善。

ROS的发行版本（ROS distribution） 指ROS软件包的版本，其与Linux的发行版本（如Ubuntu）的概念类似。推出ROS发行版本的目的在于使开发人员可以使用相对稳定的代码库，直到其准备好将所有内容进行版本升级为止。因此，每个发行版本推出后，ROS开发者通常仅对这一版本的bug进行修复，同时提供少量针对核心软件包的改进。

版本特点: 按照英文字母顺序命名，ROS 目前已经发布了ROS1 的终极版本: noetic，并建议后期过渡至 ROS2 版本。noetic 版本之前默认使用的是 Python2，noetic 支持 Python3。

建议版本: noetic 或 melodic 或 kinetic
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2 ROS安装

我使用的是 ROS 版本是 Melodic，那么可以在 ubuntu18.04、Mac 或 windows10 系统上安装，虽然一般用户平时使用的操作系统以windows居多,但是ROS之前的版本基本都不支持windows,所以当前我们选用的操作系统是 ubuntu,以方便向历史版本过渡。ubuntu安装常用方式有两种:

实体机安装 ubuntu (较为常用的是使用双系统，windows 与 ubuntu 并存)；
虚拟机安装 ubuntu。

两种方式比较，各有优缺点：

方案1可以保证性能，且不需要考虑硬件兼容性问题，但是和windows系统交互不便；
方案2可以方便的实现 windows 与 ubuntu 交互，不过性能稍差，且与硬件交互不便。

🍑在 ROS 中，一些仿真操作是比较耗费系统资源的，且经常需要和一些硬件(雷达、摄像头、imu、STM32、arduino…)交互，因此，原则上建议采用方案1，不过如果只是出于学习目的，那么方案2也基本够用，且方案2在windows与ubuntu的交互上更为方便，对于学习者更为友好。当然，具体采用哪种实现方案，请按需选择。我选择的是安装双系统。🍎

如果采用虚拟机安装 ubuntu，再安装 ROS 的话，大致流程如下:

安装虚拟机软件(比如：virtualbox 或 VMware)；
使用虚拟机软件虚拟一台主机；
在虚拟主机上安装 ubuntu 18.04；
在 ubuntu 上安装 ROS；
测试 ROS 环境是否可以正常运行。
虚拟机软件选择上，对于我们学习而言 virtualbox 和 VMware 都可以满足需求，二者比较，前者免费，后者收费，所以尽量选用 virtualbox。

2.1安装ubuntu

对应于ROS melodic版本，我们需要安装的是ubuntu18.04，具体安装教程网上有很多，建议选择访问量最高的那个。还有，不管是虚拟机还是双系统，ubuntu18.04的镜像文件一定要选好，这个影响到后面很多东西，有的镜像文件缺少东西，会出各种错误，什么都需要自己手动配置，为了减少不必要的麻烦，还是选择权威些的镜像文件。

2.2 安装 ROS

Ubuntu 安装完毕后，就可以安装 ROS 操作系统了，大致步骤如下:

配置ubuntu的软件和更新；
设置安装源；
设置key；
安装；
配置环境变量。

1.配置ubuntu的软件和更新

配置ubuntu的软件和更新，允许安装不经认证的软件。

首先打开“软件和更新”对话框，具体可以在 Ubuntu 搜索按钮中搜索。

打开后按照下图进行配置（确保勾选了"restricted"， “universe，” 和 “multiverse.”）
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2.设置安装源

官方默认安装源:

sudo sh -c 'echo "deb http://packages.ros.org/ros/ubuntu $(lsb_release -sc) main" > /etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list'

或来自国内清华的安装源

sudo sh -c '. /etc/lsb-release && echo "deb http://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/ros/ubuntu/ `lsb_release -cs` main" > /etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list'

或来自国内中科大的安装源

sudo sh -c '. /etc/lsb-release && echo "deb http://mirrors.ustc.edu.cn/ros/ubuntu/ `lsb_release -cs` main" > /etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list'

PS: 回车后,可能需要输入管理员密码；建议使用国内资源，安装速度更快。

3.设置key

sudo apt-key adv --keyserver 'hkp://keyserver.ubuntu.com:80' --recv-key C1CF6E31E6BADE8868B172B4F42ED6FBAB17C654

4.安装
首先需要更新 apt(以前是 apt-get, 官方建议使用 apt 而非 apt-get),apt 是用于从互联网仓库搜索、安装、升级、卸载软件或操作系统的工具。

sudo apt update

等待…

然后，再安装所需类型的 ROS:ROS 多个类型:Desktop-Full、Desktop、ROS-Base。这里介绍较为常用的Desktop-Full(官方推荐)安装: ROS, rqt, rviz, robot-generic libraries, 2D/3D simulators, navigation and 2D/3D perception

sudo apt install ros-melodic-desktop-full

等待…(比较耗时)

友情提示: 由于网络原因，导致连接超时，可能会安装失败，如下所示:

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可以多次重复调用更新和安装命令，直至成功。

5.环境设置
配置环境变量，方便在任意终端中使用 ROS。

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

6.安装构建依赖
首先安装构建依赖的相关工具

sudo apt install python-rosdep python-rosinstall python-rosinstall-generator python-wstool build-essential

然后安装rosdep(可以安装系统依赖)

sudo apt install python-rosdep

初始化rosdep

sudo rosdep init
rosdep update

当执行到最后 sudo rosdep init 和rosdep时，绝大多数人都会抛出异常。因为境外资源被屏蔽，而且墙在今年4月份时候还被加高了，所以翻墙也很困难了。
这里给出解决方法：rosdep报错最有效方法
我参考这篇博客成功rosdep update！
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卸载
如果需要卸载ROS可以调用如下命令:

sudo apt remove ros-melodic-*

另请参考：ROS wiki

2.3 测试 ROS

ROS 内置了一些小程序，可以通过运行这些小程序以检测 ROS 环境是否可以正常运行

首先启动三个命令行(ctrl + alt + T)
命令行1键入:roscore
命令行2键入:rosrun turtlesim turtlesim_node(此时会弹出图形化界面)
命令行3键入:rosrun turtlesim turtle_teleop_key(在3中可以通过上下左右控制2中乌龟的运动)

最终结果如下所示:
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注意：光标必须聚焦在键盘控制窗口，否则无法控制乌龟运动。

3 ROS快速体验

编写 ROS 程序，在控制台输出文本: Hello World，分别使用 C++ 和 Python 实现。

3.1 HelloWorld实现简介

ROS中涉及的编程语言以C++和Python为主，ROS中的大多数程序两者都可以实现，在本系列教程中，每一个案例也都会分别使用C++和Python两种方案演示，大家可以根据自身情况选择合适的实现方案。

ROS中的程序即便使用不同的编程语言，实现流程也大致类似，以当前HelloWorld程序为例，实现流程大致如下：

先创建一个工作空间；
再创建一个功能包；
编辑源文件；
编辑配置文件；
编译并执行。

上述流程中，C++和Python只是在步骤3和步骤4的实现细节上存在差异，其他流程基本一致。本节先实现C++和Python程序编写的通用部分步骤1与步骤2，3.2节和3.3节再分别使用C++和Python编写HelloWorld。

1.创建工作空间并初始化

mkdir -p 自定义空间名称/src
cd 自定义空间名称
catkin_make

上述命令，首先会创建一个工作空间以及一个 src 子目录，然后再进入工作空间调用 catkin_make命令编译。

2.进入 src 创建 ros 包并添加依赖

cd src
catkin_create_pkg 自定义ROS包名 roscpp rospy std_msgs

上述命令，会在工作空间下生成一个功能包，该功能包依赖于 roscpp、rospy 与 std_msgs，其中roscpp是使用C++实现的库，而rospy则是使用python实现的库，std_msgs是标准消息库，创建ROS功能包时，一般都会依赖这三个库实现。

注意: 在ROS中，虽然实现同一功能时，C++和Python可以互换，但是具体选择哪种语言，需要视需求而定，因为两种语言相较而言:C++运行效率高但是编码效率低，而Python则反之，基于二者互补的特点，ROS设计者分别设计了roscpp与rospy库，前者旨在成为ROS的高性能库，而后者则一般用于对性能无要求的场景，旨在提高开发效率。

3.2 HelloWorld(C++版)

本节内容基于3.1，假设你已经创建了ROS的工作空间，并且创建了ROS的功能包，那么就可以进入核心步骤了，使用C++编写程序实现：
1.进入 ros 包的 src 目录编辑源文件

cd 自定义的包