跳到主要内容

创建 ROS2 工作空间​

什么是工作空间​

ROS2 中的工作空间类似于开发文件夹，里面可以放置多个不同的功能包（package）。功能包就像是软件的最小单元，每个功能包负责特定的功能，例如机器人控制、传感器数据处理或导航算法等等。

在实际开发中，一般会基于 ROS2 的标准环境（称为“底层环境”或underlay）来创建一个自己的工作空间（称为“覆盖环境”或overlay）。覆盖环境允我们在底层环境之上添加新的功能包，甚至覆盖或修改已有的功能包。

简单地讲：

  • 底层环境（Underlay）：这是 ROS2 系统默认安装的基础环境，比如你安装 ROS2 Jazzy后所在的目录 /opt/ros/jazzy。
  • 覆盖环境（Overlay）：这是你自己创建的工作空间环境，基于底层环境之上，可以自定义或者扩展已有的功能包。

创建工作空间目录​

接下来，我们需要为新的工作空间创建一个专用的目录。工作空间的名称可以任意选择，但最好能够体现出其用途或目的。在此示例中，我们命名为 ros2_ws，表示“ROS2 工作空间”，并在其中创建子目录 src，该目录的名称是固定的，不能随便取，该目录用来存放功能包的源代码：

mkdir -p ~/ros2_ws/src

这里的 mkdir -p 命令可以一次性创建多级目录结构，确保创建工作空间时不会因为目录不存在而报错。

ROS2 工作空间结构

图 1: ROS 2 工作空间目录结构示意图

1. 加载 ROS 2 底层环境

为了可以在终端上使用底层环境，每次打开新终端时，都需要加载 ROS2 的底层环境，命令如下：

source /opt/ros/jazzy/setup.bash

加载底层环境后，即可在该终端中使用 ROS2 环境提供的各种功能。为避免每次打开终端时都需要手动输入上述命令，可以将该命令加入终端启动文件中：

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

.bashrc 是位于主目录 (~) 下的隐藏文件，用于配置每次打开新终端时自动执行的命令。

2. 使用colcon构建工作空间

在ROS 2开发中，“构建系统”和“构建工具”是两个相关但不同的概念：

  • 构建系统（例如ament_cmake、ament_python） 是底层机制，定义了单个功能包如何编译、链接和安装。

    • ament_cmake 基于CMake，提供了 ROS2 相关功能（如节点构建、接口生成）的额外宏和功能，适合C++项目。

    • ament_python 适用于Python编写的功能包，管理安装和依赖。

  • 构建工具（例如colcon） 是高层的管理工具，可以同时处理工作空间中的多个功能包，自动排序构建顺序，支持混合不同构建系统（如ament_cmake和ament_python）的功能包。 colcon还提供--symlink-install选项，使修改源代码时能立即生效(适用于python类型的功能包)，无需重新构建和安装整个包，极大的提高了开发效率。

从 ROS2 工作空间的根目录（ros2_ws）运行colcon build命令以构建功能包。

colcon build

控制台将返回类似package finished的消息。

注意：是要在工作空间的根目录，即ros2_ws下编译。如果提示没有colcon build 可以使用如下语句安装：

sudo apt update
sudo apt install python3-colcon-common-extensions

colcon build的其他有用参数：

  • --packages-up-to 构建想要的功能包，加上它的所有依赖项，但不是整个工作空间（节省时间）

  • --symlink-install 在重新修改Python代码时，无需重新构建

  • --event-handlers console_direct+ 在构建时显示控制台输出（否则可以在log目录中找到）

  • --executor sequential 逐个处理功能包，而不是使用并行处理

一旦构建完成，在工作空间根目录（~/ros2_ws）的终端中输入命令：

ls

将看到colcon创建了新目录：

build  install  log  src

build 目录用于存放中间构建文件，例如 CMake 生成的文件、对象文件等，类似于 CMake 中的“构建缓存”，通常不需要手动操作此目录。install 目录存放最终构建完成后的可执行文件、库文件、消息接口文件等，用户可以使用它来加载覆盖层。log 保存构建过程的日志输出，包括每个功能包构建是否成功的详细信息。如果构建失败，可以通过查看这里的日志文件定位问题。

目录名作用说明
src/放置功能包源代码
build/编译中间文件和缓存
install/构建输出的可执行文件和库，加载运行环境的关键
log/构建过程的详细日志

3.加载覆盖层

在加载覆盖层之前，需要打开一个新的终端，与构建工作空间的终端分开。在同一终端中加载覆盖层，或在加载覆盖层的同一终端中构建，可能会造成复杂的问题。

在新终端中，首先加载底层环境，如果已经将下面命令写入了 ~/.bashrc 目录下，则不需要重新加载如下命令：


source /opt/ros/jazzy/setup.bash

进入工作空间的根目录，在根目录中，运行 source 命令加载刚才使用 colcon build 构建的工作空间：

cd ~/ros2_ws
source install/local_setup.bash

使用Python虚拟环境管理ROS 2依赖(可选)​

为什么需要虚拟环境

在Ubuntu 24.04上，Python 功能包的依赖有时会和系统或其他工作空间的 Python 包冲突。为了避免这种冲突，可以为每个 ROS2 工作空间创建一个独立的 Python 虚拟环境（virtual environment），这样每个环境都有自己的 Python 解释器和包安装路径，不会影响系统环境或其他工作空间。

简单来说，虚拟环境可以保证：

  • 不影响系统Python和已有功能包；

  • 可以自由安装或升级Python库；

  • 每个工作空间独立管理依赖。

创建虚拟环境

在终端中，进入你希望存放虚拟环境的目录，例如~/ros2_env，然后执行：

mkdir -p ~/ros2_env
cd ~/ros2_env 
python3 -m venv ros2

这里：

  • python3 -m venv ros2 表示创建名为ros2的虚拟环境；

  • 虚拟环境目录下会自动生成 bin/、lib/、include/ 等目录。

激活虚拟环境

每次在该虚拟环境中工作前，需要激活它：

source ~/ros2_env/ros2/bin/activate

激活后，终端提示符通常会显示 (ros2) 前缀，表示当前已经进入虚拟环境。

在虚拟环境中，Python命令和pip命令都只作用于该环境，不会影响系统Python：

python3 --version 
pip install <package_name>

安装ROS 2 Python依赖

如果你在虚拟环境中使用ROS 2 Python功能包，可以通过pip安装必要依赖。例如：

pip install colcon-common-extensions
pip install rclpy 
pip install <其他Python库>

注意：ROS 2核心功能仍需通过系统ROS 2安装获得（例如/opt/ros/jazzy），虚拟环境只管理Python库，不替代系统ROS 2。

在虚拟环境中加载ROS 2环境

在每次新的终端中使用虚拟环境时，需要按顺序加载底层ROS 2环境和虚拟环境：

# 先加载ROS 2底层环境 
source /opt/ros/jazzy/setup.bash  
# 激活虚拟环境 
source ~/ros2_env/ros2/bin/activate 
# 再进入工作空间加载覆盖层
cd ~/ros2_ws 
source install/local_setup.bash`

这样，就可以在虚拟环境中安全使用Python功能包，同时仍能调用ROS 2的节点和工具。

退出虚拟环境

完成工作后，可以通过以下命令退出虚拟环境：

deactivate

终端提示符将恢复到默认系统环境。