ROS 工作空間 (Workspace)、套件 (Package)、節點 (Node) 架構專案目錄介紹

 

ROS 工作空間 (Workspace)、套件 (Package)、節點 (Node) 架構與專案目錄介紹

在 ROS (Robot Operating System) 中，開發環境遵循一個標準的層級架構，主要由 Workspace（工作空間）、Package（套件）、Node（節點）等組成，並且依照特定的目錄結構來組織程式碼。

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1. ROS 工作空間 (Workspace)

工作空間 是 ROS 專案的根目錄，包含所有 ROS 程式碼與設定檔。通常使用 Catkin (ROS1) 或 Colcon (ROS2) 來管理工作空間。

典型 ROS1 工作空間結構

bash
my_ros_workspace/      # 工作空間名稱 (可自訂)
│── src/               # 原始碼目錄 (存放 ROS 套件)
│   ├── package_1/
│   ├── package_2/
│   ├── CMakeLists.txt -> /opt/ros/noetic/share/catkin/cmake/toplevel.cmake
│── build/             # 建置 (compile) 目錄
│── devel/             # 開發環境 (包含編譯後的執行檔與設定)
│── install/           # 安裝目錄 (用於佈署套件)

📌 常見指令

• catkin_make：編譯工作空間
• source devel/setup.bash：設定環境變數

典型 ROS2 工作空間結構

bash
my_ros2_workspace/
│── src/               # 原始碼 (存放 ROS2 套件)
│   ├── package_1/
│   ├── package_2/
│── build/             # 建置目錄
│── install/           # 安裝後的目錄
│── log/               # 記錄 Log 資訊

📌 常見指令

• colcon build：編譯工作空間
• source install/setup.bash：設定環境變數

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2. ROS 套件 (Package)

套件 (Package) 是 ROS 中的基本單位，所有的程式碼、節點、訊息 (Message)、服務 (Service)、動作 (Action) 等都在套件內。

典型 ROS1 套件結構

bash
my_ros_package/
│── CMakeLists.txt      # CMake 設定檔
│── package.xml         # ROS 套件描述檔 (包含依賴資訊)
│── src/                # 存放程式碼 (C++ / Python)
│── scripts/            # Python 執行檔
│── include/            # C++ 標頭檔
│── launch/             # 啟動檔 (.launch, 用於啟動多個節點)
│── msg/                # 訊息類型 (.msg)
│── srv/                # 服務類型 (.srv)
│── config/             # 設定檔 (YAML 或 JSON)

📌 建立 ROS1 套件

bash
cd ~/my_ros_workspace/src
catkin_create_pkg my_ros_package std_msgs rospy roscpp

📌 編譯

bash
cd ~/my_ros_workspace
catkin_make

典型 ROS2 套件結構

bash
my_ros2_package/
│── CMakeLists.txt      # CMake 設定檔
│── package.xml         # ROS2 套件描述檔
│── src/                # 程式碼 (C++ / Python)
│── include/            # C++ 標頭檔
│── launch/             # 啟動檔 (.py 格式)
│── msg/                # 訊息類型
│── srv/                # 服務類型
│── config/             # 設定檔 (YAML)
│── tests/              # 測試程式

📌 建立 ROS2 套件

bash
cd ~/my_ros2_workspace/src
ros2 pkg create --build-type ament_cmake my_ros2_package

📌 編譯

bash
cd ~/my_ros2_workspace
colcon build

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3. ROS 節點 (Node)

節點 (Node) 是 ROS 中的執行單位，每個節點負責處理不同的功能，如感測、控制、影像處理等。

ROS1 C++ 節點範例

檔案：src/my_node.cpp

cpp
#include "ros/ros.h"

int main(int argc, char **argv)
{
    ros::init(argc, argv, "my_node");
    ros::NodeHandle nh;
    ROS_INFO("Hello from my_node!");
    ros::spin();
    return 0;
}

📌 編譯與執行

bash
catkin_make
rosrun my_ros_package my_node

ROS2 Python 節點範例

檔案：src/my_node.py

python
import rclpy
from rclpy.node import Node

class MyNode(Node):
    def __init__(self):
        super().__init__('my_node')
        self.get_logger().info('Hello from my_node!')

def main(args=None):
    rclpy.init(args=args)
    node = MyNode()
    rclpy.spin(node)
    node.destroy_node()
    rclpy.shutdown()

if __name__ == '__main__':
    main()

📌 執行

bash
ros2 run my_ros2_package my_node

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4. 其他重要 ROS 元件

(1) 訊息 (Message)

ROS 透過 Message 在節點間通訊。使用 .msg 定義自訂訊息格式。

📌 建立訊息格式

bash
mkdir -p my_ros_package/msg
echo "int32 num" > my_ros_package/msg/Num.msg

📌 修改 CMakeLists.txt

cmake
add_message_files(
  FILES
  Num.msg
)
generate_messages()

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(2) 服務 (Service)

Service 允許節點進行同步請求/回應。

📌 建立 .srv 檔

bash
mkdir -p my_ros_package/srv
echo "int32 a\nint32 b\n---\nint32 sum" > my_ros_package/srv/AddTwoInts.srv

📌 修改 CMakeLists.txt

cmake
add_service_files(
  FILES
  AddTwoInts.srv
)
generate_messages()

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(3) 啟動檔 (Launch File)

啟動檔讓我們可以一次啟動多個節點。

📌 ROS1 .launch 範例

xml
<launch>
  <node pkg="my_ros_package" type="my_node" name="my_node" output="screen"/>
</launch>

📌 執行

bash
roslaunch my_ros_package my_launch_file.launch

📌 ROS2 .py 啟動檔

python
from launch import LaunchDescription
from launch_ros.actions import Node

def generate_launch_description():
    return LaunchDescription([
        Node(
            package='my_ros2_package',
            executable='my_node',
            name='my_node',
            output='screen'
        )
    ])

📌 執行

bash
ros2 launch my_ros2_package my_launch_file.py

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結論

ROS 專案的開發架構主要由 工作空間 (Workspace)、套件 (Package)、節點 (Node) 所組成，並透過 Message、Service、Launch Files 來管理節點間的通訊與執行流程。掌握這些基本概念能夠更有效地開發與維護 ROS 專案 🚀