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ROS-ROS通信机制-话题通信

article 2024/11/14 1:30:22

文章目录

  • 一、话题通信基础知识
  • 二、话题通信基本操作
    • 2-1 C++
    • 2-2 Python
    • 2-3 C++与python节点通信
  • 三、自定义msg
    • 3-1 自定义msg
    • 3-2 C++实现自定义msg调用
    • 3-3 Python实现自定义msg调用

一、话题通信基础知识

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。
在这里插入图片描述
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

Listener 根据接收到的 RPC 地址，通过 RPC 向 Talker 发送连接请求，传输订阅的话题名称、消息类型以及通信协议(TCP/UDP)。

4.Talker确认请求

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。

5.Listener与Talker件里连接

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

6.Talker向Listener发送消息

连接建立后，Talker 开始向 Listener 发布消息。

注意1:上述实现流程中，前五步使用的 RPC协议，最后两步使用的是 TCP 协议

注意2: Talker 与 Listener 的启动无先后顺序要求

注意3: Talker 与 Listener 都可以有多个

注意4: Talker 与 Listener 连接建立后，不再需要 ROS Master。也即，即便关闭ROS Master，Talker 与 Listern 照常通信。

理解图：
在这里插入图片描述

二、话题通信基本操作

2-1 C++

需求:

编写发布订阅实现，要求发布方以10HZ(每秒10次)的频率发布文本消息，订阅方订阅消息并将消息内容打印输出。

分析:

在模型实现中，ROS master 不需要实现，而连接的建立也已经被封装了，需要关注的关键点有三个:

  1. 发布方
  2. 接收方
  3. 数据(此处为普通文本)

流程:

  1. 编写发布方实现；
  2. 编写订阅方实现；
  3. 编辑配置文件；
  4. 编译并执行。

1.发布方

/*
    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>//连接文本和数字的头文件

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());
		//%s对应c风格，即以"\0"结尾。
        //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;
}

2.订阅方

/*
    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;
}

3.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}
)

编写完成后，"ctrl+shift+B"编译。
4.执行

1.启动 roscore;
打开一个终端，启动roscore

roscore

2.启动发布节点;
再打开一个终端

cd test03_ws/
source ./devel/setup.bash
rosrun plumbing_pub_sub demo01_pub

3.启动订阅节点。

cd test03_ws/
source ./devel/setup.bash
rosrun plumbing_pub_sub demo02_sub

5.注意

  • 补充0:

    vscode 中的 main 函数 声明 int main(int argc, char const *argv[]){}，默认生成 argv 被 const 修饰，需要去除该修饰符

  • 补充1:

    ros/ros.h No such file or directory …

    检查 CMakeList.txt find_package 出现重复,删除内容少的即可

    参考资料:https://answers.ros.org/question/237494/fatal-error-rosrosh-no-such-file-or-directory/

  • 补充2:

    find_package 不添加一些包，也可以运行啊， ros.wiki 答案如下

    You may notice that sometimes your project builds fine even if you did not call find_package with all dependencies. This is because catkin combines all your projects into one, so if an earlier project calls find_package, yours is configured with the same values. But forgetting the call means your project can easily break when built in isolation.

  • 补充3:

    订阅时，第一条数据丢失

    原因: 发送第一条数据时， publisher 还未在 roscore 注册完毕

    解决: 注册后，加入休眠 ros::Duration(3.0).sleep(); 延迟第一条数据的发送

PS：可以使用 rqt_graph 查看节点关系。

自己运行过程中出现的问题： {\color{red}自己运行过程中出现的问题：} 自己运行过程中出现的问题：
1.发布方正常，订阅方未接收到消息，如图所示：
![[发布方正常.png]]

![[接收方异常.png]]

经检查，发现自己的订阅设置有问题
![[subscribe设置错误.png]]

应为

ros::Subscriber sub=nh.subscribe<std_msgs::String>("fang",10,doMsg);

其他部分也有问题：
![[%s别忘记.png]]
2.运行ros节点时报错terminate called after throwing an instance of ‘ros::InvalidNameException’
what(): Character [ ] at element [2] is not valid in Graph Resource Name [my control]. Valid characters are a-z, A-Z, 0-9, / and _.
已放弃 (核心已转储)

一般是因为节点的cpp文件代码或文件名中包含空格或其他所谓的非法字符导致的，删去或替换成下划线即可

2-2 Python

需求:
编写发布订阅实现，要求发布方以10HZ(每秒10次)的频率发布文本消息，订阅方订阅消息并将消息内容打印输出。

分析:
在模型实现中，ROS master 不需要实现，而连接的建立也已经被封装了，需要关注的关键点有三个:

  • 发布方
  • 接收方
  • 数据(此处为普通文本)

流程:

  1. 编写发布方实现；
  2. 编写订阅方实现；
  3. 为python文件添加可执行权限；
  4. 编辑配置文件；
  5. 编译并执行。

1.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
终端下进入 scripts 执行:chmod +x *.py

右键Scripts文件夹，在集成终端中打开。
在这里插入图片描述

4.配置 CMakeLists.txt

catkin_install_python(PROGRAMS
  scripts/talker_p.py
  scripts/listener_p.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。

1.运行roscore报错：
在这里插入图片描述
结束进程：

killall -9 roscore    //如果提示未找到进程不用管，继续执行下一条
killall -9 rosmaster

2-3 C++与python节点通信

上文中C++的发布和Python的订阅节点直接可以通信，好神奇哦！

三、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。会经常看到msg文件的第一行具有Header标头。

3-1 自定义msg

有点像结构体

需求: 创建自定义消息，该消息包含人的信息:姓名、身高、年龄等。

流程:

  1. 按照固定格式创建 msg 文件
  2. 编辑配置文件
  3. 编译生成可以被 Python 或 C++ 调用的中间文件

1.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

2.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
)

3.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)
在这里插入图片描述
Python 需要调用的中间文件(…/工作空间/devel/lib/python3/dist-packages/包名/msg)
在这里插入图片描述
后续调用相关 msg 时，是从这些中间文件调用的。

3-2 C++实现自定义msg调用

需求:
编写发布订阅实现，要求发布方以10HZ(每秒10次)的频率发布自定义消息，订阅方订阅自定义消息并将消息内容打印输出。

分析:
在模型实现中，ROS master 不需要实现，而连接的建立也已经被封装了，需要关注的关键点有三个:

  • 发布方
  • 接收方
  • 数据(此处为自定义消息)

流程:

  1. 编写发布方实现；
  2. 编写订阅方实现；
  3. 编辑配置文件；
  4. 编译并执行。

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_cpp_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。

1.路径必须包含全部的不然会报错。也不知道为啥。
在这里插入图片描述

2.启动新终端，键入: rqt_graph 或 rosrun rqt_graph rqt_graph，可以看到网络拓扑图，该图可以显示不同节点之间的关系。

3-3 Python实现自定义msg调用

需求:
编写发布订阅实现，要求发布方以1HZ(每秒1次)的频率发布自定义消息，订阅方订阅自定义消息并将消息内容打印输出。

分析:
在模型实现中，ROS master 不需要实现，而连接的建立也已经被封装了，需要关注的关键点有三个:

  • 发布方
  • 接收方
  • 数据(此处为自定义消息)

流程:

  1. 编写发布方实现；
  2. 编写订阅方实现；
  3. 为python文件添加可执行权限；
  4. 编辑配置文件；
  5. 编译并执行。

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.权限设置
终端下进入 scripts 执行: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

参考：
[1]Autolabor-ROS机器人入门课程《ROS理论与实践》季基础教程
[2]【Autolabor初级教程】ROS机器人入门
[3]胡春旭.ROS机器人开发实践[M].机械工业出版社,2018.


http://www.kler.cn/a/156348.html

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