從零創建學習工作區

從本節開始，你親手創建學習工程。先只安裝模型和配置，不寫硬件 C++ 插件。

1.示例 1：創建工作區與功能包

1.1.程序目標

創建 learn_control_hardware，先使用框架自帶的 GenericSystem 作為臨時硬件。等啓動鏈路跑通後，在從零編寫模擬硬件插件換成自己寫的插件。

打開一個新的 Ubuntu 終端，只 source 系統 Humble：

source /opt/ros/humble/setup.bash
mkdir -p ~/ros2_control_humble_ws/src
cd ~/ros2_control_humble_ws/src
ros2 pkg create learn_control_hardware --build-type ament_cmake
cd learn_control_hardware
mkdir -p urdf config launch include/learn_control_hardware src

下面需要你編輯文件。命令中的 ~ 指當前 Ubuntu 用户的主目錄，例如 /home/你的用户名。後續工作區操作均使用普通用户，不要給 colcon build 或創建源碼文件的命令添加 sudo。

1.2.文件結構

learn_control_hardware/
├── CMakeLists.txt
├── package.xml
├── urdf/mini.urdf
├── config/                 下一节配置后续文件
├── launch/                 稍后编写启动文件
├── include/learn_control_hardware/
└── src/

1.3.完整 CMakeLists.txt

cmake_minimum_required(VERSION 3.16)
project(learn_control_hardware)
find_package(ament_cmake REQUIRED)
install(DIRECTORY urdf config launch DESTINATION share/${PROJECT_NAME})
ament_package()

install(DIRECTORY ...) 把運行所需資源安裝到 share 目錄。launch 中使用包的 share 路徑，所以必須安裝資源，而不能只把文件留在源碼目錄。

1.4.完整 package.xml

<?xml version="1.0"?>
<package format="3">
  <name>learn_control_hardware</name><version>0.0.1</version>
  <description>Humble learning hardware and bringup</description>
  <maintainer email="learner@example.com">Learner</maintainer>
  <license>Apache-2.0</license>
  <buildtool_depend>ament_cmake</buildtool_depend>
  <depend>hardware_interface</depend><depend>pluginlib</depend>
  <depend>rclcpp</depend><depend>rclcpp_lifecycle</depend>
  <exec_depend>controller_manager</exec_depend>
  <exec_depend>joint_state_broadcaster</exec_depend>
  <exec_depend>forward_command_controller</exec_depend>
  <exec_depend>joint_trajectory_controller</exec_depend>
  <exec_depend>robot_state_publisher</exec_depend><exec_depend>xacro</exec_depend>
  <exec_depend>launch_ros</exec_depend>
  <export><build_type>ament_cmake</build_type></export>
</package>

這裏提前列出後續基礎章節所需依賴。maintainer 中的示例身份請換成你自己的；它不影響插件類名。

2.示例 2：編寫完整機械人描述

將以下內容保存為 urdf/mini.urdf：

<?xml version="1.0"?>
<robot name="mini">

  <link name="world"/>
  <link name="base_link">
    <inertial><mass value="1"/><inertia ixx="0.005" ixy="0" ixz="0" iyy="0.005" iyz="0" izz="0.007"/></inertial>
    <visual><geometry><box size="0.2 0.2 0.1"/></geometry></visual>
  </link>
  <joint name="world_fixed" type="fixed"><parent link="world"/><child link="base_link"/></joint>

  <link name="link1">
    <inertial><origin xyz="0 0 0.2"/><mass value="1"/>
      <inertia ixx="0.0135" ixy="0" ixz="0" iyy="0.0135" iyz="0" izz="0.00042"/>
    </inertial>
    <visual><origin xyz="0 0 0.2"/><geometry><box size="0.05 0.05 0.4"/></geometry></visual>
    <collision><origin xyz="0 0 0.2"/><geometry><box size="0.05 0.05 0.4"/></geometry></collision>
  </link>
  <joint name="joint1" type="revolute">
    <parent link="base_link"/><child link="link1"/>
    <origin xyz="0 0 0.05"/><axis xyz="0 1 0"/>
    <limit lower="-1" upper="1" effort="20" velocity="2"/>
  </joint>

  <link name="link2">
    <inertial><origin xyz="0 0 0.2"/><mass value="1"/>
      <inertia ixx="0.0135" ixy="0" ixz="0" iyy="0.0135" iyz="0" izz="0.00042"/>
    </inertial>
    <visual><origin xyz="0 0 0.2"/><geometry><box size="0.05 0.05 0.4"/></geometry></visual>
    <collision><origin xyz="0 0 0.2"/><geometry><box size="0.05 0.05 0.4"/></geometry></collision>
  </link>
  <joint name="joint2" type="revolute">
    <parent link="link1"/><child link="link2"/>
    <origin xyz="0 0 0.4"/><axis xyz="0 1 0"/>
    <limit lower="-1" upper="1" effort="20" velocity="2"/>
  </joint>

  <ros2_control name="MiniSystem" type="system">
    <hardware><plugin>mock_components/GenericSystem</plugin></hardware>
    <joint name="joint1">
      <command_interface name="position"/>
      <state_interface name="position"><param name="initial_value">0.0</param></state_interface>
      <state_interface name="velocity"/>
    </joint>
    <joint name="joint2">
      <command_interface name="position"/>
      <state_interface name="position"><param name="initial_value">0.0</param></state_interface>
      <state_interface name="velocity"/>
    </joint>
  </ros2_control>
</robot>

2.1.關鍵結構説明

• world_fixed 把機械人固定到 world，便於後續機械臂仿真。
• 兩個可動關節名稱為 joint1、joint2。
• 每個關節提供 position 命令，以及 position、velocity 狀態。
• mock_components/GenericSystem 是已安裝框架的插件，不需要你此時編寫 C++。
• 慣量和碰撞是為後續物理模型準備；GenericSystem 不使用它們計算動力學。

3.編譯與檢查

cd ~/ros2_control_humble_ws
colcon build --symlink-install --packages-select learn_control_hardware
source install/setup.bash

ros2 pkg prefix learn_control_hardware
xacro src/learn_control_hardware/urdf/mini.urdf > /tmp/mini_expanded.urdf

3.1.運行結果

此時還沒有啓動控制器，所以不會出現機械人運動。驗收目標是包可以構建和找到、URDF 能被解析。完整運行放在YAML與launch啓動過程。

3.2.本示例需要注意的點

colcon 識別 src 中的 package.xml；CMake 控制構建和安裝；source install/setup.bash 讓當前終端找到新包。三者承擔不同工作。

源碼目錄和安裝目錄的結構也不同：源碼中是 urdf/mini.urdf，安裝後是 share/learn_control_hardware/urdf/mini.urdf。

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