25/1/21 算法笔记＜ROS2＞ 话题通信接口

news/2025/1/22 20:22:09/

在 ROS 2 中，通信接口是节点之间进行数据交换的核心机制。ROS 2 提供了多种通信接口，包括话题（Topic）、服务（Service）、动作（Action）和参数（Parameter）。每种接口适用于不同的场景，具体选择取决于你的应用需求。

这次我们先讲服务

1. 话题（Topic）

  • 话题是 ROS 2 中最常用的通信机制，用于节点之间的异步数据交换。

  • 一个节点可以发布（Publish）消息到话题，另一个节点可以订阅（Subscribe）该话题以接收消息。

  • 特点：

  • 一对多或多对多：多个节点可以发布到同一个话题，多个节点也可以订阅同一个话题。

  • 异步通信：发布者和订阅者之间不需要直接交互，消息通过话题传递。

  • 适用于流式数据：如传感器数据、控制指令等。

示例：

  • 发布者：

#include "rclcpp/rclcpp.hpp"
#include "std_msgs/msg/string.hpp"class PublisherNode : public rclcpp::Node
{
public:PublisherNode() : Node("publisher_node"){publisher_ = this->create_publisher<std_msgs::msg::String>("topic_name", 10);timer_ = this->create_wall_timer(1s, std::bind(&PublisherNode::timer_callback, this));}private:void timer_callback(){auto msg = std_msgs::msg::String();msg.data = "Hello, ROS 2!";publisher_->publish(msg);}rclcpp::Publisher<std_msgs::msg::String>::SharedPtr publisher_;rclcpp::TimerBase::SharedPtr timer_;
};int main(int argc, char *argv[])
{rclcpp::init(argc, argv);rclcpp::spin(std::make_shared<PublisherNode>());rclcpp::shutdown();return 0;
}

订阅者：

#include "rclcpp/rclcpp.hpp"
#include "std_msgs/msg/string.hpp"class SubscriberNode : public rclcpp::Node
{
public:SubscriberNode() : Node("subscriber_node"){subscriber_ = this->create_subscription<std_msgs::msg::String>("topic_name", 10, std::bind(&SubscriberNode::topic_callback, this, std::placeholders::_1));}private:void topic_callback(const std_msgs::msg::String::SharedPtr msg){RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "Received: %s", msg->data.c_str());}rclcpp::Subscription<std_msgs::msg::String>::SharedPtr subscriber_;
};int main(int argc, char *argv[])
{rclcpp::init(argc, argv);rclcpp::spin(std::make_shared<SubscriberNode>());rclcpp::shutdown();return 0;
}

接下来我们详细的用代码讲解步骤

1. 创建 ROS 2 工作空间

在开始之前，我们需要创建一个 ROS 2 工作空间来存放我们的代码。

步骤 1：创建工作空间

打开终端，创建一个工作空间目录：

mkdir -p ~/topic_ws/src
cd ~/topic_ws/src

创建一个 ROS 2 包：

ros2 pkg create --build-type ament_cmake topic_demo

进入包目录：

cd topic_demo

2. 编写发布者代码

发布者节点会定期发布消息到话题。

步骤 2：创建发布者代码

在 src 目录下创建 publisher_node.cpp 文件：

touch src/publisher_node.cpp

编辑 publisher_node.cpp 文件，编写以下代码：

#include "rclcpp/rclcpp.hpp"
#include "std_msgs/msg/string.hpp"using namespace std::chrono_literals;class PublisherNode : public rclcpp::Node
{
public:PublisherNode() : Node("publisher_node"){// 创建一个发布者，发布到 "topic_name" 话题，消息类型为 std_msgs::msg::String，队列长度为 10publisher_ = this->create_publisher<std_msgs::msg::String>("topic_name", 10);// 创建一个定时器，每隔 1 秒触发一次回调函数timer_ = this->create_wall_timer(1s, std::bind(&PublisherNode::timer_callback, this));}private:void timer_callback(){// 创建一个消息对象auto msg = std_msgs::msg::String();msg.data = "Hello, ROS 2!"; // 设置消息内容// 发布消息publisher_->publish(msg);// 打印日志RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "Publishing: %s", msg.data.c_str());}rclcpp::Publisher<std_msgs::msg::String>::SharedPtr publisher_;rclcpp::TimerBase::SharedPtr timer_;
};int main(int argc, char *argv[])
{// 初始化 ROS 2rclcpp::init(argc, argv);// 创建发布者节点并进入事件循环rclcpp::spin(std::make_shared<PublisherNode>());// 关闭 ROS 2rclcpp::shutdown();return 0;
}

3. 编写订阅者代码

订阅者节点会订阅话题并接收消息。

步骤 3：创建订阅者代

在 src 目录下创建 subscriber_node.cpp 文件。

touch src/subscriber_node.cpp

编辑 subscriber_node.cpp 文件，编写以下代码：

#include "rclcpp/rclcpp.hpp"
#include "std_msgs/msg/string.hpp"class SubscriberNode : public rclcpp::Node
{
public:SubscriberNode() : Node("subscriber_node"){// 创建一个订阅者，订阅 "topic_name" 话题，消息类型为 std_msgs::msg::String，队列长度为 10subscriber_ = this->create_subscription<std_msgs::msg::String>("topic_name", 10, std::bind(&SubscriberNode::topic_callback, this, std::placeholders::_1));}private:void topic_callback(const std_msgs::msg::String::SharedPtr msg){// 打印接收到的消息RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "Received: %s", msg->data.c_str());}rclcpp::Subscription<std_msgs::msg::String>::SharedPtr subscriber_;
};int main(int argc, char *argv[])
{// 初始化 ROS 2rclcpp::init(argc, argv);// 创建订阅者节点并进入事件循环rclcpp::spin(std::make_shared<SubscriberNode>());// 关闭 ROS 2rclcpp::shutdown();return 0;
}

4. 配置 CMakeLists.txt

为了让 ROS 2 能够编译我们的代码，需要在 CMakeLists.txt 文件中添加编译规则。

步骤 4：修改 CMakeLists.txt

  1. 打开 CMakeLists.txt 文件，添加以下内容：

    # 添加可执行文件
add_executable(publisher_node src/publisher_node.cpp)
ament_target_dependencies(publisher_node rclcpp std_msgs)add_executable(subscriber_node src/subscriber_node.cpp)
ament_target_dependencies(subscriber_node rclcpp std_msgs)# 安装可执行文件
install(TARGETSpublisher_nodesubscriber_nodeDESTINATION lib/${PROJECT_NAME})

5. 编译工作空间

步骤 5：编译工作空间

返回工作空间根目录：

cd ~/topic_ws

使用 colcon build 编译工作空间：

colcon build

编译完成后，加载工作空间环境：

source install/setup.bash

6. 运行节点

步骤 6：运行发布者和订阅者

打开第一个终端，运行发布者节点：

ros2 run topic_demo publisher_node

打开第二个终端，运行订阅者节点：

ros2 run topic_demo subscriber_node

在发布者终端的输出中，你会看到类似以下内容：

[INFO] [publisher_node]: Publishing: Hello, ROS 2!

在订阅者终端的输出中，你会看到类似以下内容：

[INFO] [subscriber_node]: Received: Hello, ROS 2!
在机器人中，ROS 2 的话题（Topic）机制可以用于多种场景，实现机器人各个模块之间的数据交换和协同工作。以下是话题在机器人中的一些典型应用场景和功能：

1. 传感器数据发布

作用：

  • 机器人上的传感器（如激光雷达、摄像头、IMU 等）可以通过话题发布数据，供其他模块使用。

示例：

  • 激光雷达：发布 sensor_msgs/msg/LaserScan 消息，包含扫描数据。

  • 摄像头：发布 sensor_msgs/msg/Image 消息，包含图像数据。

  • IMU：发布 sensor_msgs/msg/Imu 消息，包含加速度、角速度和姿态数据。

代码示例：

// 发布激光雷达数据
auto scan_msg = sensor_msgs::msg::LaserScan();
scan_msg.header.stamp = this->now();
scan_msg.ranges = {1.0, 2.0, 3.0}; // 示例数据
laser_publisher_->publish(scan_msg);

2. 控制指令发布

作用：

  • 控制模块可以通过话题发布控制指令，驱动机器人的执行器（如电机、舵机等）。

示例：

  • 移动机器人：发布 geometry_msgs/msg/Twist 消息，包含线速度和角速度。

  • 机械臂：发布 std_msgs/msg/Float64MultiArray 消息，包含关节角度或力矩。

代码示例：

// 发布移动指令
auto twist_msg = geometry_msgs::msg::Twist();
twist_msg.linear.x = 0.5;  // 前进速度
twist_msg.angular.z = 0.2; // 转向速度
cmd_vel_publisher_->publish(twist_msg);

3. 状态信息发布

作用：

  • 机器人可以发布自身的状态信息（如电池电量、位置、速度等），供监控或决策模块使用。

示例：

  • 电池状态：发布 sensor_msgs/msg/BatteryState 消息。

  • 位置信息：发布 nav_msgs/msg/Odometry 消息，包含位置和速度。

代码示例：

// 发布电池状态
auto battery_msg = sensor_msgs::msg::BatteryState();
battery_msg.percentage = 0.75; // 电量百分比
battery_publisher_->publish(battery_msg);

4. 多节点协同

作用：

  • 多个节点可以通过话题共享数据，实现协同工作。例如，导航模块发布目标点，路径规划模块订阅并生成路径，控制模块执行路径。

示例：

  • 导航系统：

    • 导航节点发布目标点（geometry_msgs/msg/PoseStamped）。

    • 路径规划节点订阅目标点并生成路径（nav_msgs/msg/Path）。

    • 控制节点订阅路径并驱动机器人。

代码示例：

// 发布目标点
auto goal_msg = geometry_msgs::msg::PoseStamped();
goal_msg.header.stamp = this->now();
goal_msg.pose.position.x = 5.0; // 目标点坐标
goal_msg.pose.position.y = 3.0;
goal_publisher_->publish(goal_msg);

5. 数据记录与回放

作用：

  • 使用 ros2 bag 工具记录话题数据，用于后续分析或回放。

示例：

  • 记录激光雷达数据：

ros2 bag record /scan

回放数据：

ros2 bag play <bag_file>

6. 远程监控与调试

作用：

  • 通过话题将机器人的数据发送到远程计算机，实现远程监控和调试。

示例：

  • 使用 rqt 工具查看话题数据：

rqt

7. 多机器人通信

作用：

  • 多个机器人可以通过话题共享数据，实现协同任务。

示例：

  • 机器人 A 发布自身位置，机器人 B 订阅并调整自身行为。

8. 自定义消息

作用：

  • 如果标准消息类型不满足需求，可以定义自定义消息类型。

示例：

  1. 在 msg 目录下创建自定义消息文件 CustomMessage.msg：

float32 data1
int32 data2
string data3

在代码中使用自定义消息：

#include "topic_demo/msg/custom_message.hpp"auto custom_msg = topic_demo::msg::CustomMessage();
custom_msg.data1 = 1.23;
custom_msg.data2 = 42;
custom_msg.data3 = "Hello";
custom_publisher_->publish(custom_msg);

通过话题机制，机器人各个模块可以高效地共享数据，实现复杂的功能。


http://www.ppmy.cn/news/1565301.html

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