ROS入门（Robot Operating System）

一、ROS概述

（一）什么是ROS

ROS（Robot Operating System）是一个用于机器人应用开发的框架。它提供了一系列的工具和库，用于简化机器人软件的开发过程。ROS不是传统意义上的操作系统，而是一个中间件，它允许不同的软件组件之间进行通信和协作。

（二）ROS的主要特点

1. 分布式计算架构

ROS采用节点（Node）的概念，每个节点可以是一个独立的程序，运行在不同的进程中，甚至不同的机器上。节点之间通过主题（Topic）、服务（Service）和参数（Parameter）等方式进行通信。例如，一个节点负责控制机器人的摄像头获取图像数据，另一个节点负责对图像进行处理，它们可以通过发布和订阅主题来传递图像数据。

2. 丰富的库和工具

ROS提供了大量的库，涵盖了机器人运动控制、传感器数据处理、导航规划等多个方面。比如，moveit库可以用于机器人的运动规划，PCL（Point Cloud Library）库可以处理点云数据，用于环境感知等任务。

3. 社区支持强大

ROS有一个活跃的社区，开发者可以在这个社区中分享代码、交流经验。许多高校和研究机构都在使用ROS进行机器人研究，社区中积累了大量的教程、开源项目等资源，方便开发者学习和借鉴。

（三） ROS的应用领域

1. 工业机器人

在工业生产线上，ROS可以用于开发机器人的自动化控制软件。例如，控制机械臂进行精确的装配操作，通过ROS的运动控制库，可以实现对机械臂关节的精确控制，按照预设的轨迹进行运动。

2. 服务机器人

对于服务机器人，如餐厅送餐机器人、酒店服务机器人等，ROS可以用于实现机器人的导航、避障、人机交互等功能。利用ROS的导航堆栈，机器人可以根据环境地图进行路径规划，避开障碍物，将物品送到指定位置。

3. 科研机器人

在科研领域，ROS是研究机器人智能行为的重要工具。研究人员可以利用ROS搭建实验平台，进行机器人学习、认知等前沿研究。例如，在研究机器人如何通过深度学习算法识别物体时，可以使用ROS来整合传感器数据和深度学习模型。

二、Ubuntu系统安装

（一）准备工作

1. 下载Ubuntu镜像

访问Ubuntu官方网站https://ubuntu.com/，选择适合的版本进行下载。一般来说，推荐下载LTS（Long - Term Support）版本，因为这种版本有较长的维护周期，稳定性较好。例如，Ubuntu 20.04 LTS是一个常用的选择。

2. 制作启动U盘（以Windows系统为例）

下载 Rufus 工具https://rufus.ie/ 打开Rufus，插入一个空白的U盘。在 Rufus 界面中，选择刚才下载的Ubuntu镜像文件（.iso 格式），然后点击“开始”按钮。Rufus 会将镜像写入U盘，制作成一个可启动的Ubuntu安装U盘。

（二）安装步骤

1. 启动安装程序

将制作好的启动U盘插入电脑的USB接口，重启电脑。在开机过程中，根据电脑品牌和型号，按下相应的按键（如F2、F12、Delete等）进入BIOS设置。在BIOS设置中，将启动顺序调整为优先从U盘启动，然后保存设置并退出。

电脑会从U盘启动，进入Ubuntu安装界面。通常会看到一个带有Ubuntu标志的启动菜单，可以选择“安装Ubuntu”选项。

2. 选择安装选项

在安装过程中，首先会提示选择语言，根据个人需求选择合适的语言。接下来是安装类型的选项，可以选择“正常安装”或“最小安装”。“正常安装”会安装一些常用的软件和功能，如办公软件、多媒体播放器等；“最小安装”则只安装基本的系统组件，后续可以根据需要自行安装其他软件。

还需要选择是否安装第三方软件，如NVIDIA驱动、多媒体编解码器等。如果电脑有NVIDIA显卡，并且需要使用显卡的高级功能（如CUDA加速），建议安装NVIDIA驱动。

3. 分区设置

可以选择“擦除磁盘并安装Ubuntu”，这种方式会将整个磁盘格式化，然后安装Ubuntu，适合全新安装且不需要保留原有数据的情况。也可以选择“其他选项”进行手动分区。在手动分区时，需要创建根分区（/）、交换分区（swap）和家目录分区（/home）等。根分区用于安装系统文件，交换分区用于扩展内存，家目录分区用于存储用户数据。例如，可以将根分区设置为20GB，交换分区设置为内存大小的两倍（如内存为8GB，交换分区为16GB），家目录分区分配剩余的空间。

4. 完成安装

分区设置完成后，点击“现在安装”按钮，系统会开始安装Ubuntu。在安装过程中，需要设置用户名、密码等信息。安装完成后，电脑会自动重启。重启后，拔出安装U盘，进入Ubuntu系统。

三、ROS环境搭建

（一）安装ROS

1. 设置sources.list

打开终端，输入以下命令，将ROS的软件源添加到系统的软件源列表中。以ROS Noetic为例，命令如下：

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

这条命令的作用是将ROS的软件仓库地址写入到/etc/apt/sources.list.d/ros - lsb - release - sc).list文件中，$(lsb_release -sc)会自动获取当前Ubuntu系统的代号，如focal（对应Ubuntu 20.04）。

2. 设置keys

输入以下命令，添加ROS的密钥，用于验证软件包的完整性：

sudo apt install curl # if you haven't installed curl
curl -s https://raw.githubusercontent.com/ros - noetic/ros - noetic - setup/master/ros - noetic - keys.asc | sudo apt - key add -

这样就可以确保从ROS软件源下载的软件包是可信的。

3. 安装ROS

更新软件包列表：

sudo apt update

安装ROS Noetic桌面全版：

sudo apt install ros - noetic - desktop - full

这个版本包含了大部分常用的ROS功能，包括机器人建模、仿真、视觉处理等工具。

4. 环境配置

输入以下命令，将ROS环境变量添加到当前用户的bash shell配置文件中：

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

这样每次打开终端时，都会自动加载ROS的环境变量，可以方便地使用ROS命令。

（二）安装依赖和工具

1. 安装ros - deps

输入以下命令，安装一些ROS依赖的软件包：

sudo apt install python3 - rosdep python3 - rosinstall python3 - rosinstall - generator python3 - wstool build - essential

这些工具用于管理ROS的依赖关系、安装其他ROS包等。

2. 初始化rosdep

输入以下命令，初始化rosdep：

sudo rosdep init
rosdep update

rosdep可以自动安装ROS包所依赖的系统软件包，方便管理和安装复杂的ROS项目。

四、虚拟机和Docker的使用

（一）虚拟机使用

1. 安装虚拟机软件（以VMware为例）

下载VMware Workstation（https://www.vmware.com/products/workstation - pro.html）。安装过程中，按照提示进行操作，接受许可协议，选择安装路径等。安装完成后，启动VMware Workstation。

2. 创建虚拟机

在VMware Workstation中，点击“创建新的虚拟机”。选择“典型”安装方式。在操作系统安装光盘/镜像选项中，选择之前制作好的Ubuntu安装U盘（或者ISO镜像文件）。VMware会自动检测操作系统的类型和版本。

接下来，设置虚拟机的名称和安装位置。例如，将虚拟机名称设置为“Ubuntu - ROS”，安装位置可以选择默认的路径或者自定义路径。

配置虚拟机的硬件，如处理器、内存等。根据宿主机的配置和需求进行设置，一般来说，可以分配2 - 4个处理器核心，4 - 8GB的内存给虚拟机，以保证虚拟机运行流畅。

3. 运行虚拟机并安装Ubuntu

完成虚拟机创建后，点击“完成”按钮，虚拟机就会启动。此时会进入Ubuntu的安装界面，按照前面介绍的Ubuntu安装步骤进行安装。安装完成后，就可以在虚拟机中使用Ubuntu系统了。

可以通过VMware的网络设置，配置虚拟机的网络连接方式，如桥接模式、NAT模式等，实现虚拟机与宿主机、外部网络的通信。例如，在桥接模式下，虚拟机就像连接在同一个网络中的独立设备，可以直接访问外部网络。

（二）Docker使用

1. 安装Docker

在Ubuntu系统中，打开终端，输入以下命令安装Docker：

sudo apt update
sudo apt install docker.io

安装完成后，可以使用sudo docker version命令查看Docker的版本信息。

2. 拉取ROS Docker镜像

从Docker Hub上拉取ROS镜像，以ROS Noetic为例：

sudo docker pull osrf/ros:noetic-desktop-full

这个命令会从Docker Hub（https://hub.docker.com/）下载ROS Noetic桌面全版的Docker镜像。

3. 运行Docker容器

输入以下命令，运行一个ROS Docker容器：

sudo docker run -it --name ros - noetic - container osrf/ros:noetic - desktop - full /bin/bash

这条命令会创建一个名为“ros - noetic - container”的Docker容器，并且以交互模式（-it）启动容器，进入容器的bash shell。在容器中，就可以使用ROS的各种功能了。

可以通过sudo docker ps命令查看正在运行的Docker容器，使用sudo docker stop 容器ID命令停止容器，使用sudo docker start 容器ID命令启动已停止的容器。

视频讲解

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