【ROS学习笔记4】话题通信

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【ROS学习笔记4】话题通信

零、话题通信概述

话题通信是ROS中使用频率最高的一种通信方式，话题通信是基于发布订阅模式的，也即：一个节点发布消息，另一个节点订阅该消息。话题通信的应用场景也极其广泛。

概念

以发布订阅的方式实现不同节点之间的数据交互的通信模式

作用

用于不断更新的、少逻辑处理的数据传输场景。

一、话题通信的理论模型

话题通信实现模型是比较复杂的，该模型如下图所示，该模型中涉及到三个角色：

ROS Master（管理者）

Talker（发布者）

Listener（订阅者）

ROS Master 负责保管 Talker 和 Listener 注册的信息，并匹配话题相同的 Talker 与 Listener，帮助 Talker 与 Listener 建立连接，连接建立后，Talker 可以发布消息，且发布的消息会被 Listener 订阅。

整个流程由以下步骤实现:

0、Talker注册

Talker启动后，会通过RPC在 ROS Master 中注册自身信息，其中包含所发布消息的话题名称。ROS Master 会将节点的注册信息加入到注册表中。

1、Listener注册

Listener启动后，也会通过RPC在 ROS Master 中注册自身信息，包含需要订阅消息的话题名。ROS Master 会将节点的注册信息加入到注册表中。

2、ROS Master实现信息匹配

ROS Master 会根据注册表中的信息匹配Talker 和 Listener，并通过 RPC 向 Listener 发送 Talker 的 RPC 地址信息。

3、Listener向Talker发送请求

Talker 接收到 Listener 的请求后，也是通过 RPC 向 Listener 确认连接信息，并发送自身的 TCP 地址信息。

4、Listener与Talker建立连接

Listener 根据步骤 4 返回的消息使用 TCP 与 Talker 建立网络连接。

5、Talker向Listener发送消息

连接建立之后，Talker开始向Listener发布消息

Attention1：上述实现流程中，前五步使用的是RPC协议，最后两步使用的是TCP协议

Attention2：Talker与Listener的启动无先后顺序要求

Attention3：Talker与Listener都可以有多个

Attention4：Talker与Listener连接建立之后，不再需要ROS Master

Attention5: 上述流程已经封装了，以后直接调用即可。

话题通信的关注点：

Point1: 大部分的实现都已经被封装了

Point2: 话题设置

Point3: 关注发布者的实现

Point4: 关注订阅者的实现

Point5: 关注消息载体

二、话题通信基本操作的Cpp实现

1、需求

编写发布订阅实现，要求发布方以10HZ的频率发布文本消息，订阅方将消息内容打印出

2、分析

在模型实现中，ROS Master已经自动实现了，不需要我们再实现，而连接的封装也已经被封装了，需要关注的点有三个

发布方

接收方

数据（此处为普通文本）

3、流程

编写发布方实现

编写订阅方实现

编辑配置文件

编译并执行

4、发布方实现

/*
    需求: 实现基本的话题通信，一方发布数据，一方接收数据，
         实现的关键点:
         1.发送方
         2.接收方
         3.数据(此处为普通文本)
         PS: 二者需要设置相同的话题
    消息发布方:
        循环发布信息:HelloWorld 后缀数字编号
    实现流程:
        1.包含头文件 
        2.初始化 ROS 节点:命名(唯一)
        3.实例化 ROS 句柄
        4.实例化 发布者 对象
        5.组织被发布的数据，并编写逻辑发布数据

*/
// 1.包含头文件 
#include "ros/ros.h"
#include "std_msgs/String.h" //普通文本类型的消息
#include <sstream>

int main(int argc, char  *argv[])
{
    
       
    //设置编码
    setlocale(LC_ALL,"");

    //2.初始化 ROS 节点:命名(唯一)
    // 参数1和参数2 后期为节点传值会使用
    // 参数3 是节点名称，是一个标识符，需要保证运行后，在 ROS 网络拓扑中唯一
    ros::init(argc,argv,"talker");
    //3.实例化 ROS 句柄
    ros::NodeHandle nh;//该类封装了 ROS 中的一些常用功能

    //4.实例化 发布者 对象
    //泛型: 发布的消息类型
    //参数1: 要发布到的话题
    //参数2: 队列中最大保存的消息数，超出此阀值时，先进的先销毁(时间早的先销毁)
    ros::Publisher pub = nh.advertise<std_msgs::String>("chatter",10);

    //5.组织被发布的数据，并编写逻辑发布数据
    //数据(动态组织)
    std_msgs::String msg;
    // msg.data = "你好啊！！！";
    std::string msg_front = "Hello 你好！"; //消息前缀
    int count = 0; //消息计数器

    //逻辑(一秒10次)
    ros::Rate r(1);

    //节点不死
    while (ros::ok())
    {
    
    
        //使用 stringstream 拼接字符串与编号
        std::stringstream ss;
        ss << msg_front << count;
        msg.data = ss.str();
        //发布消息
        pub.publish(msg);
        //加入调试，打印发送的消息
        ROS_INFO("发送的消息:%s",msg.data.c_str());

        //根据前面制定的发送贫频率自动休眠 休眠时间 = 1/频率；
        r.sleep();
        count++;//循环结束前，让 count 自增
        //暂无应用
        ros::spinOnce();
    }

    return 0;
}

5、订阅方实现

/*
    需求: 实现基本的话题通信，一方发布数据，一方接收数据，
         实现的关键点:
         1.发送方
         2.接收方
         3.数据(此处为普通文本)
    消息订阅方:
        订阅话题并打印接收到的消息
    实现流程:
        1.包含头文件 
        2.初始化 ROS 节点:命名(唯一)
        3.实例化 ROS 句柄
        4.实例化 订阅者 对象
        5.处理订阅的消息(回调函数)
        6.设置循环调用回调函数

*/
// 1.包含头文件 
#include "ros/ros.h"
#include "std_msgs/String.h"

void doMsg(const std_msgs::String::ConstPtr& msg_p){
    
    
    ROS_INFO("我听见:%s",msg_p->data.c_str());
    // ROS_INFO("我听见:%s",(*msg_p).data.c_str());
}
int main(int argc, char  *argv[])
{
    
    
    setlocale(LC_ALL,"");
    //2.初始化 ROS 节点:命名(唯一)
    ros::init(argc,argv,"listener");
    //3.实例化 ROS 句柄
    ros::NodeHandle nh;

    //4.实例化 订阅者 对象
    ros::Subscriber sub = nh.subscribe<std_msgs::String>("chatter",10,doMsg);
    //5.处理订阅的消息(回调函数)

    //     6.设置循环调用回调函数
    ros::spin();//循环读取接收的数据，并调用回调函数处理

    return 0;
}

6、配置CMakeLists.txt

add_executable(Hello_pub
  src/Hello_pub.cpp
)
add_executable(Hello_sub
  src/Hello_sub.cpp
)

target_link_libraries(Hello_pub
  ${catkin_LIBRARIES}
)
target_link_libraries(Hello_sub
  ${catkin_LIBRARIES}
)

7、执行

启动roscore

启动发布节点

启动订阅节点

最后实现的效果如下，用rosrun rqt_graph rqt_graph可以查看计算图

三、话题通信基本操作的Python实现

1、流程

编写发布方实现

编写订阅方实现

为python文件添加可执行权限

编辑配置文件

编译并执行

2、发布方

#! /usr/bin/env python
"""
    需求: 实现基本的话题通信，一方发布数据，一方接收数据，
         实现的关键点:
         1.发送方
         2.接收方
         3.数据(此处为普通文本)

         PS: 二者需要设置相同的话题


    消息发布方:
        循环发布信息:HelloWorld 后缀数字编号

    实现流程:
        1.导包 
        2.初始化 ROS 节点:命名(唯一)
        3.实例化 发布者 对象
        4.组织被发布的数据，并编写逻辑发布数据


"""
#1.导包 
import rospy
from std_msgs.msg import String

if __name__ == "__main__":
    #2.初始化 ROS 节点:命名(唯一)
    rospy.init_node("talker_p")
    #3.实例化 发布者 对象
    pub = rospy.Publisher("chatter",String,queue_size=10)
    #4.组织被发布的数据，并编写逻辑发布数据
    msg = String()  #创建 msg 对象
    msg_front = "hello 你好"
    count = 0  #计数器 
    # 设置循环频率
    rate = rospy.Rate(1)
    while not rospy.is_shutdown():

        #拼接字符串
        msg.data = msg_front + str(count)

        pub.publish(msg)
        rate.sleep()
        rospy.loginfo("写出的数据:%s",msg.data)
        count += 1

2、订阅方

#! /usr/bin/env python
"""
    需求: 实现基本的话题通信，一方发布数据，一方接收数据，
         实现的关键点:
         1.发送方
         2.接收方
         3.数据(此处为普通文本)


    消息订阅方:
        订阅话题并打印接收到的消息

    实现流程:
        1.导包 
        2.初始化 ROS 节点:命名(唯一)
        3.实例化 订阅者 对象
        4.处理订阅的消息(回调函数)
        5.设置循环调用回调函数



"""
#1.导包 
import rospy
from std_msgs.msg import String

def doMsg(msg):
    rospy.loginfo("I heard:%s",msg.data)

if __name__ == "__main__":
    #2.初始化 ROS 节点:命名(唯一)
    rospy.init_node("listener_p")
    #3.实例化 订阅者 对象
    sub = rospy.Subscriber("chatter",String,doMsg,queue_size=10)
    #4.处理订阅的消息(回调函数)
    #5.设置循环调用回调函数
    rospy.spin()

3、添加可执行权限

cd scripts
chomd +x *.py

4、配置CMakeLists.txt

catkin_install_python(PROGRAMS
  scripts/talker_p.py
  scripts/listener_p.py
  DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_BIN_DESTINATION}
)

具体的实现效果

四、话题通信自定义msg

在 ROS 通信协议中，数据载体是一个较为重要组成部分，ROS 中通过 std_msgs 封装了一些原生的数据类型,比如:String、Int32、Int64、Char、Bool、Empty… 但是，这些数据一般只包含一个 data 字段，结构的单一意味着功能上的局限性，当传输一些复杂的数据，比如: 激光雷达的信息… std_msgs 由于描述性较差而显得力不从心，这种场景下可以使用自定义的消息类型

msgs只是简单的文本文件，每行具有字段类型和字段名称，可以使用的字段类型有：

int8, int16, int32, int64（或者无符号类型：uint*）

float32,float64

string

time,duration

other msg files

variable-length array[] and fixed-length array[C]

ROS中还有一种特殊类型：Header，标头包含时间戳和ROS中常用的坐标帧信息，经常会看到msg文件的第一行具有Header标头。

1、需求

创建自定义消息，该消息包括人的信息：姓名、身高、年龄等

2、流程

按照固定格式创建msg文件

编辑配置文件

编译生成可以被Python和Cpp调用的中间文件

3、定义msg文件

功能包下新建msg目录，添加文件Person.msg

string name
uint16 age
float64 height

4、编辑配置文件

package.xml中添加编译依赖与执行依赖

  <build_depend>message_generation</build_depend>
  <exec_depend>message_runtime</exec_depend>
  <!-- 
  exce_depend 以前对应的是 run_depend 现在非法
  -->

CMakeLists.txt编辑 msg 相关配置

find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS
  roscpp
  rospy
  std_msgs
  message_generation
)
# 需要加入 message_generation,必须有 std_msgs

## 配置 msg 源文件
add_message_files(
  FILES
  Person.msg
)

# 生成消息时依赖于 std_msgs
generate_messages(
  DEPENDENCIES
  std_msgs
)

#执行时依赖
catkin_package(
#  INCLUDE_DIRS include
#  LIBRARIES demo02_talker_listener
  CATKIN_DEPENDS roscpp rospy std_msgs message_runtime
#  DEPENDS system_lib
)

5、编译

编译后的中间文件查看

C++ 需要调用的中间文件(…/工作空间/devel/include/包名/xxx.h)

Python 需要调用的中间文件(…/工作空间/devel/lib/python3/dist-packages/包名/msg)

后续调用相关 msg 时，是从这些中间文件调用的

五、话题通信自定义msg调用的Cpp实现

0.vscode配置

为了方便代码提示以及避免误抛异常，需要先配置vscode，将前面生成的head文件路径配置进c_pp_properties.json的includepath属性:

{
    
    
    "configurations": [
        {
    
    
            "browse": {
    
    
                "databaseFilename": "",
                "limitSymbolsToIncludedHeaders": true
            },
            "includePath": [
                "/opt/ros/noetic/include/**",
                "/usr/include/**",
                "/xxx/yyy工作空间/devel/include/**" //配置 head 文件的路径 
            ],
            "name": "ROS",
            "intelliSenseMode": "gcc-x64",
            "compilerPath": "/usr/bin/gcc",
            "cStandard": "c11",
            "cppStandard": "c++17"
        }
    ],
    "version": 4
}

1.发布方

/*
    需求: 循环发布人的信息

*/

#include "ros/ros.h"
#include "demo02_talker_listener/Person.h"

int main(int argc, char *argv[])
{
    
    
    setlocale(LC_ALL,"");

    //1.初始化 ROS 节点
    ros::init(argc,argv,"talker_person");

    //2.创建 ROS 句柄
    ros::NodeHandle nh;

    //3.创建发布者对象
    ros::Publisher pub = nh.advertise<demo02_talker_listener::Person>("chatter_person",1000);

    //4.组织被发布的消息，编写发布逻辑并发布消息
    demo02_talker_listener::Person p;
    p.name = "sunwukong";
    p.age = 2000;
    p.height = 1.45;

    ros::Rate r(1);
    while (ros::ok())
    {
    
    
        pub.publish(p);
        p.age += 1;
        ROS_INFO("我叫:%s,今年%d岁,高%.2f米", p.name.c_str(), p.age, p.height);

        r.sleep();
        ros::spinOnce();
    }



    return 0;
}

2.订阅方

/*
    需求: 订阅人的信息

*/

#include "ros/ros.h"
#include "demo02_talker_listener/Person.h"

void doPerson(const demo02_talker_listener::Person::ConstPtr& person_p){
    
    
    ROS_INFO("订阅的人信息:%s, %d, %.2f", person_p->name.c_str(), person_p->age, person_p->height);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    
       
    setlocale(LC_ALL,"");

    //1.初始化 ROS 节点
    ros::init(argc,argv,"listener_person");
    //2.创建 ROS 句柄
    ros::NodeHandle nh;
    //3.创建订阅对象
    ros::Subscriber sub = nh.subscribe<demo02_talker_listener::Person>("chatter_person",10,doPerson);

    //4.回调函数中处理 person

    //5.ros::spin();
    ros::spin();    
    return 0;
}

3.配置CMakeLists.txt

需要添加add_dependencies用以设置所依赖的消息相关的中间文件

add_executable(person_talker src/person_talker.cpp)
add_executable(person_listener src/person_listener.cpp)



add_dependencies(person_talker ${PROJECT_NAME}_generate_messages_cpp)
add_dependencies(person_listener ${PROJECT_NAME}_generate_messages_cpp)


target_link_libraries(person_talker
  ${catkin_LIBRARIES}
)
target_link_libraries(person_listener
  ${catkin_LIBRARIES}
)

4.执行

1、启动roscore

2、启动发布节点

3、启动订阅节点

效果如图所示

六、话题通信自定义msg的Python实现

0.vscode配置

为了方便代码提示以及误抛异常，需要先配置vscode，将前面生成的python文件路径配置进settings.json

{
    
    
    "python.autoComplete.extraPaths": [
        "/opt/ros/noetic/lib/python3/dist-packages",
        "/xxx/yyy工作空间/devel/lib/python3/dist-packages"
    ]
}

1.发布方

#! /usr/bin/env python
"""
    发布方:
        循环发送消息

"""
import rospy
from demo02_talker_listener.msg import Person


if __name__ == "__main__":
    #1.初始化 ROS 节点
    rospy.init_node("talker_person_p")
    #2.创建发布者对象
    pub = rospy.Publisher("chatter_person",Person,queue_size=10)
    #3.组织消息
    p = Person()
    p.name = "葫芦瓦"
    p.age = 18
    p.height = 0.75

    #4.编写消息发布逻辑
    rate = rospy.Rate(1)
    while not rospy.is_shutdown():
        pub.publish(p)  #发布消息
        rate.sleep()  #休眠
        rospy.loginfo("姓名:%s, 年龄:%d, 身高:%.2f",p.name, p.age, p.height)

2.订阅方

#! /usr/bin/env python
"""
    订阅方:
        订阅消息

"""
import rospy
from demo02_talker_listener.msg import Person

def doPerson(p):
    rospy.loginfo("接收到的人的信息:%s, %d, %.2f",p.name, p.age, p.height)


if __name__ == "__main__":
    #1.初始化节点
    rospy.init_node("listener_person_p")
    #2.创建订阅者对象
    sub = rospy.Subscriber("chatter_person",Person,doPerson,queue_size=10)
    rospy.spin() #4.循环

3.权限配置

chmod +x *.py

4.配置CMakeLists.txt

catkin_install_python(PROGRAMS
  scripts/talker_p.py
  scripts/listener_p.py
  scripts/person_talker.py
  scripts/person_listener.py
  DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_BIN_DESTINATION}
)

5.执行

1.启动 roscore;

2.启动发布节点;

3.启动订阅节点。

效果如下：

七、Reference

http://www.autolabor.com.cn/book/ROSTutorials/di-2-zhang-ros-jia-gou-she-ji/22hua-ti-tong-xin/213-hua-ti-tong-xin-zhi-python-shi-xian.html