ROS2系列 (5) : 使用功能包组织C++节点

ROS2系列 (5) : 使用功能包组织C++节点

在ROS2中，C++是实现高性能节点的核心选择之一。本文将深入讲解如何创建、配置、构建和运行C++类型的ROS2功能包，解析其结构与构建逻辑，并对比C++与Python节点的运行差异，同时详解ROS2环境变量机制。

一、创建C++功能包

使用ros2 pkg create命令创建C++功能包，指定构建类型为ament_cmake：

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

• --build-type ament_cmake：选择适用于C++的ament_cmake构建系统。
• --license Apache-2.0：指定许可证类型。

执行后生成的目录结构如下（结合示例图片）：

demo_cpp_pkg/
├── include/demo_cpp_pkg/  # 存放C++头文件的目录
├── src/                   # 存放C++源文件的目录
│   └── cpp_node.cpp       # 待编写的C++节点源文件
├── CMakeLists.txt         # CMake构建配置核心文件
├── LICENSE                # 许可证文件
└── package.xml            # 功能包元信息配置文件

二、C++功能包结构解析

文件/目录	作用说明
include/demo_cpp_pkg/	存放C++头文件，用于模块间的接口声明与类定义。
src/	存放C++源文件，包含节点的业务逻辑实现。
CMakeLists.txt	定义编译规则、依赖查找、可执行文件生成等构建逻辑，是C++功能包的核心配置文件。
package.xml	声明功能包的名称、版本、维护者、依赖等元信息。
LICENSE	定义代码的使用、修改和分发权限（本文示例为Apache-2.0）。

三、编写C++节点代码

在src/目录下创建cpp_node.cpp，编写基础C++节点逻辑：

#include "rclcpp/rclcpp.hpp"int main(int argc, char **argv)
{rclcpp::init(argc, argv);  // 初始化rclcpp客户端库auto node = std::make_shared<rclcpp::Node>("cpp_node");  // 创建名为“cpp_node”的节点RCLCPP_INFO(node->get_logger(), "你好 C++ 节点！");  // 输出INFO级日志rclcpp::spin(node);  // 保持节点运行（直到手动终止）rclcpp::shutdown();  // 关闭rclcpp，释放资源return 0;
}

四、配置package.xml添加依赖

打开package.xml，添加C++客户端库rclcpp的依赖声明：

<?xml version="1.0"?>
<?xml-model href="http://download.ros.org/schema/package_format3.xsd" schematypens="http://www.w3.org/2001/XMLSchema"?>
<package format="3"><!-- 其他元信息（名称、版本、维护者等） --><license>Apache-2.0</license><depend>rclcpp</depend>  <!-- 声明运行时依赖：ROS2 C++客户端库rclcpp --><test_depend>ament_copyright</test_depend>  <!-- 测试阶段依赖（版权检查） --><test_depend>ament_clang_format</test_depend> <!-- 测试阶段依赖（代码格式检查） --><!-- 其他配置 -->
</package>

五、配置CMakeLists.txt（重点：ament_cmake与ament_target_dependencies）

打开CMakeLists.txt，配置编译规则与依赖：

cmake_minimum_required(VERSION 3.8)
project(demo_cpp_pkg)# 查找ament_cmake构建工具和rclcpp包
find_package(ament_cmake REQUIRED)
find_package(rclcpp REQUIRED)# 编译src/cpp_node.cpp为可执行文件cpp_node
add_executable(cpp_node src/cpp_node.cpp)# 为可执行文件添加依赖（ROS2推荐方式，替代传统target_link_libraries）
ament_target_dependencies(cpp_node rclcpp)# 将可执行文件安装到lib/${PROJECT_NAME}目录，使ros2 run能找到它
install(TARGETScpp_nodeDESTINATION lib/${PROJECT_NAME}
)ament_package()  # 标记为ament包，完成构建配置

• ament_target_dependencies(节点名 依赖名)：是ROS2中C++功能包的核心配置指令，它会自动处理rclcpp的头文件路径和库链接，即使混合使用传统CMake指令，此方式也能适配ROS2环境。
• install(...)：将可执行文件安装到lib/${PROJECT_NAME}目录，确保ros2 run能定位到节点。

六、构建功能包：colcon build vs 传统CMake

6.1 推荐：使用colcon build构建

在工作空间根目录执行：

colcon build

成功后终端输出类似：

Starting >>> demo_cpp_pkg
Starting >>> demo_python_pkg
Finished <<< demo_cpp_pkg [0.41s]
Finished <<< demo_python_pkg [0.73s]
Summary: 2 packages finished [0.85s]

优势：colcon自动管理多包构建顺序和环境变量，是ROS2工作空间的标准构建方式。

6.2 传统CMake构建（了解即可）

若手动创建build目录并执行CMake：

mkdir build && cd build
cmake ..
make

这种方式虽能编译出可执行文件，但需手动配置环境变量才能被ROS2工具链识别，在ROS2生态中不推荐单独使用。

七、环境变量与运行节点

7.1 直接运行安装后的可执行文件

构建完成后，可执行文件位于install/demo_cpp_pkg/lib/demo_cpp_pkg目录。通过ldd命令可查看其依赖的库是否正常链接：

ldd install/demo_cpp_pkg/lib/demo_cpp_pkg/cpp_node

若依赖（如librclcpp.so）均正常链接，可直接运行：

install/demo_cpp_pkg/lib/demo_cpp_pkg/cpp_node

终端输出节点日志：

[INFO] [1680684100.228612032] [cpp_node]: 你好 C++ 节点!

7.2 环境变量AMENT_PREFIX_PATH与ros2 run

执行source命令配置环境变量：

source install/setup.bash

该命令会修改AMENT_PREFIX_PATH环境变量，将功能包的安装路径加入ROS2的包查找路径。可通过以下命令查看：

echo $AMENT_PREFIX_PATH

输出类似：

/home/xxx/install/demo_cpp_pkg:/opt/ros/humble

此时可通过ros2 run运行节点：

ros2 run demo_cpp_pkg cpp_node

也可通过ros2 pkg prefix命令查看功能包的安装前缀目录：

ros2 pkg prefix demo_cpp_pkg

输出为功能包的安装根目录（如/home/xxx/install/demo_cpp_pkg）。

八、C++与Python节点运行差异解析

C++节点的可执行文件可直接运行，而Python节点通常需要额外配置环境，核心原因是：

特性	C++节点（编译型）	Python节点（解释型）
依赖处理	编译时将依赖库链接到可执行文件中（可通过ldd验证）	运行时需通过PYTHONPATH查找依赖模块
运行前提	只需可执行文件本身（依赖库已链接）	需配置PYTHONPATH或source环境脚本，让解释器找到模块

九、总结

本文详细讲解了ROS2中C++功能包的创建、结构、配置、构建与运行流程，重点解析了ament_cmake构建系统的ament_target_dependencies指令、环境变量AMENT_PREFIX_PATH的作用，以及C++与Python节点的运行差异。掌握这些内容后，你可以高效开发高性能C++ ROS2节点，并深入理解其底层构建逻辑。