ROS2从入门到精通1-1：详解ROS2话题通信机制与自定义消息

0 专栏介绍

本专栏旨在通过对ROS2的系统学习，掌握ROS2底层基本分布式原理，并具有机器人建模和应用ROS2进行实际项目的开发和调试的工程能力。

🚀详情：《ROS2从入门到精通》

1 话题通信模型

话题是一种单向通信通道，数据或信息以定义的格式传递其中。机器人组件可以订阅主题以接收信息，或者发布信息到主题以与其他组件分享。其中发布信息的节点称为发布者，接受信息的节点称为订阅者

在这里插入图片描述

举个例子，想象一个移动机器人，其中有一个负责读取传感器数据的组件，另一个负责控制电机。传感器组件可以在名为sensor_readings的话题中发布传感器读数信息。同时，控制组件可以订阅此话题以接收该信息并用于控制电机。

在 ROS 2 中，话题由中间件管理以确保消息可靠高效地传输。话题中的消息可以是任何可序列化的数据类型，例如整数、浮点数、字符串、矩阵等。

ROS 2 中的话题具有多对多通信的灵活性和可扩展性。例如，可以有多个组件订阅同一话题，或者多个组件发布数据到同一主题。此外，可以使用线程来连接单个机器人内部的组件，或者在网络中连接不同机器人之间的组件。

在这里插入图片描述

2 话题模型实现(C++)

实验目标：发布者发布控制消息到/turtle1/cmd_vel，控制乌龟其做圆周运动；订阅者订阅/turtle1/cmd_vel，在终端显示乌龟实时的位置坐标。

发布者

class PublisherNode : public rclcpp::Node
{public:PublisherNode() : Node("lab_topic_pub") {publisher_ = create_publisher<geometry_msgs::msg::Twist>("/turtle1/cmd_vel", 10); }void publish(geometry_msgs::msg::Twist msg) {publisher_->publish(msg);}private:rclcpp::Publisher<geometry_msgs::msg::Twist>::SharedPtr publisher_;
};int main(int argc, char * argv[])                      
{rclcpp::init(argc, argv); auto node = std::make_shared<PublisherNode>();rclcpp::Rate loop_rate(10);while(rclcpp::ok()) {auto msg = geometry_msgs::msg::Twist();msg.linear.x = 0.5;msg.angular.z = 0.2;node->publish(msg);RCLCPP_INFO(node->get_logger(), "Publishing: x: %.2f, z: %.2f", msg.linear.x, msg.angular.z);loop_rate.sleep();}   rclcpp::shutdown();                                return 0;
}

订阅者(订阅的话题存在消息即触发回调函数)

class SubscriberNode : public rclcpp::Node
{public:SubscriberNode() : Node("lab_topic_sub"){subscriber_ = create_subscription<geometry_msgs::msg::Twist>(       "/turtle1/cmd_vel", 10, std::bind(&SubscriberNode::OnPoseCallback, this, _1));}private:void OnPoseCallback(const geometry_msgs::msg::Twist & msg) const{RCLCPP_INFO(get_logger(), "Publishing: x: %.2f, z: %.2f", msg.linear.x, msg.angular.z);}rclcpp::Subscription<geometry_msgs::msg::Twist>::SharedPtr subscriber_; 
};int main(int argc, char * argv[])                         
{rclcpp::init(argc, argv);                 rclcpp::spin(std::make_shared<SubscriberNode>());     rclcpp::shutdown();                                  return 0;
}

话题通信的效果如下所示：

在这里插入图片描述

计算图可视化为：

在这里插入图片描述

3 话题模型实现(Python)

实验目标：发布者发布控制消息到/turtle1/cmd_vel，控制乌龟其做圆周运动；订阅者订阅/turtle1/cmd_vel，在终端显示乌龟实时的位置坐标。

发布者

class PublisherNode(Node):def __init__(self, name):super().__init__(name) self.publisher_ = self.create_publisher(Twist, '/turtle1/cmd_vel', 10) def publish(self, msg: Twist):self.publisher_.publish(msg)

订阅者

class SubscriberNode(Node):def __init__(self, name):super().__init__(name)self.subscirber_ = self.create_subscription(Twist, '/turtle1/cmd_vel', self.OnPoseCallback, 10) def OnPoseCallback(self, msg):self.get_logger().info(f"Publishing: x: {msg.linear.x:.2f}, z: {msg.angular.z:.2f}")def main(args=None):                             rclpy.init(args=args)                        node = SubscriberNode("lab_topic_sub")rclpy.spin(node)                                        node.destroy_node()                                     rclpy.shutdown()

话题通信的效果如下所示：

在这里插入图片描述

4 自定义消息

ROS2系统通过std_msgs封装了一些常用的原生数据类型，比如String、Int32、Int64等，对于一些复杂数据应用场景，往往需要在std_msgs或其他消息库的基础上继续封装更高级的数据类型

自定义消息的通用流程如下：

功能包下新建msg文件夹，在其中添加自定义消息xxx.msg
功能包package.xml中添加编译依赖与执行依赖
<buildtool_depend>rosidl_default_generators</buildtool_depend>
<exec_depend>rosidl_default_runtime</exec_depend>
<member_of_group>rosidl_interface_packages</member_of_group>
功能包CMakeLists.txt中添加编译消息相关依赖
find_package(rosidl_default_generators REQUIRED)
rosidl_generate_interfaces(${PROJECT_NAME}"xxx.msg"DEPENDENCIES xxx_msgs
)ament_export_dependencies(rosidl_default_runtime)
编译自定义消息，在install/<pkg_name>/include中生成由xxx.msg编译的C++可识别的xxx.hpp头文件
引入xxx.hpp即可调用自定义消息

下面给出一个实例：

添加如下自定义消息，并按上面步骤配置依赖

# Person.msg
string name
string gender
uint8 agegeometry_msgs/Point positionfloat64 xfloat64 yfloat64 z

定义一个发布者、一个订阅者测试自定义消息

发布者

// 初始化名为personPub的ROS节点, 该节点应在CMakeLists.txt中被构建为可执行文件
ros::init(argc, argv, "personPub");
// 创建节点句柄
ros::NodeHandle pubNode;
// 创建发布者, 该发布者属于pubNode节点, 发布话题为"/person/info",
// 消息类型为"msgtest::Person", 发布队列长度为10
ros::Publisher pub = pubNode.advertise<msg_lab::Person>("/person/info", 10);
// 设置发布频率
ros::Rate loopRate(10);
while(ros::ok())
{// 设置消息msg_lab::Person msg;msg.name = "winter";msg.gender = "man";msg.age = 20;msg.position.x = 10;msg.position.y = 20;msg.position.z = 30;// 发布消息pub.publish(msg);ROS_INFO("Publish Person Info[name: %s gender: %s age: %d pos: x-%.2f y-%.2f z-%.2f]", msg.name.c_str(), msg.gender.c_str(), msg.age, msg.position.x, msg.position.y, msg.position.z);// 按循环频率延时loopRate.sleep();
}

订阅者

void personInfoCallBack(const msg_lab::Person::ConstPtr &msg)
{ROS_INFO("Subscribe Person Info[name: %s gender: %s age: %d pos: x-%.2f y-%.2f z-%.2f]", msg->name.c_str(), msg->gender.c_str(), msg->age, msg->position.x, msg->position.y, msg->position.z);
}int main(int argc, char** argv)
{// 初始化名为personSub的ROS节点, 该节点应在CMakeLists.txt中被构建为可执行文件ros::init(argc, argv, "personSub");// 创建节点句柄ros::NodeHandle subNode;// 创建订阅者, 该订阅者属于subNode节点, 订阅话题为"/person/info",// 订阅队列长度为10, 收到订阅消息后出发回调函数personInfoCallBackros::Subscriber sub = subNode.subscribe("/person/info", 10, personInfoCallBack);// 循环等待回调函数ros::spin();return 0;
}