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ROS通信机制全解析

article 2025/1/20 7:15:30

ROS的通信方式是ROS最为核心的概念，ROS系统的精髓就在于它提供的通信架构。ROS的通信方式有以下四种：

Topic 主题
Service 服务
Parameter Service 参数服务器
Actionlib 动作库

Topic（发布/订阅）

ROS中的通信方式中，topic是常用的一种。对于实时性、周期性的消息，使用topic来传输是最佳的选择。topic是一种点对点的单向通信方式，这里的“点”指的是node，也就是说node之间可以通过topic方式来传递信息。topic要经历下面几步的初始化过程：首先，publisher节点和subscriber节点都要到节点管理器进行注册，然后publisher会发布topic，subscriber在master的指挥下会订阅该topic，从而建立起sub-pub之间的通信。注意整个过程是单向的。其结构示意图如下：

Subscriber接收消息会进行处理，一般这个过程叫做回调(Callback)。所谓回调就是提前定义好了一个处理函数（写在代码中），当有消息来就会触发这个处理函数，函数会对消息进行处理。

注意整个过程是单向的。

Talker向ROS Master注册
Listener向ROS Master注册
ROS Master通过RPC向Listener发送Talker的地址信息
Listener接收到地址信息，通过RPC向Talker发送连接请求
Talker确认连接请求，通过RPC向Listener确认连接
Listener与Talker建立网络连接
Talker向Listener发布数据

总结：前五步的通信协议都是RPC，最后两步传输数据才用TCP

通信示例

怎么样来理解“异步”这个概念呢？在node1每发布一次消息之后，就会继续执行下一个动作，至于消息是什么状态、被怎样处理，它不需要了解；而对于node2图像处理程序，它只管接收和处理/camera_rgb上的消息，至于是谁发来的，它不会关心。所以node1、node2两者都是各司其责，不存在协同工作，我们称这样的通信方式是异步的。

ROS是一种分布式的架构，一个topic可以被多个节点同时发布，也可以同时被多个节点接收。比如在这个场景中用户可以再加入一个图像显示的节点，我们在想看看摄像头节点的画面，则可以用自己的笔记本连接到机器人上的节点管理器，然后在自己的电脑上启动图像显示节点。

这就体现了分布式系统通信的好处：扩展性好、软件复用率高。

总结三点：

topic通信方式是异步的，发送时调用publish()方法，发送完成立即返回，不用等待反馈。
subscriber通过回调函数的方式来处理消息。
topic可以同时有多个subscribers，也可以同时有多个publishers。ROS中这样的例子有：/rosout、/tf等等。

操作命令

在实际应用中，我们应该熟悉topic的几种使用命令，下表详细的列出了各自的命令及其作用。

如果你一时忘记了命令的写法，可以通过rostopic help或rostopic command -h查看具体用法。

topic的通信方式是ROS中比较常见的单向异步通信方式，它在很多时候的通信是比较易用且高效的。但是有些需要交互的通信时该方式就显露出自己的不足之处了，后续我们会介绍双向同步的通信方式service。

Message

topic有很严格的格式要求，比如上节的摄像头进程中的rgb图像topic，它就必然要遵循ROS中定义好的rgb图像格式。这种数据格式就是Message。Message按照定义解释就是topic内容的数据类型，也称之为topic的格式标准。这里和我们平常用到的Massage直观概念有所不同，这里的Message不单单指一条发布或者订阅的消息，也指定为topic的格式标准。

结构与类型

基本的msg包括bool、int8、int16、int32、int64(以及uint)、float、float64、string、time、duration、header、可变长数组array[]、固定长度数组array[C]。那么具体的一个msg是怎么组成的呢？我们用一个具体的msg来了解，例如上例中的msg sensor_msg/image,位置存放在sensor_msgs/msg/image.msg里,它的结构如下：

std_msg/Header header
    uint32    seq
    time    stamp
    string    frame_id
uint32    height
uint32    width
string    encoding
uint8    is_bigendian
uint32    step
uint8[]    data

观察上面msg的定义，是不是很类似C语言中的结构体呢？通过具体的定义图像的宽度，高度等等来规范图像的格式。所以这就解释了Message不仅仅是我们平时理解的一条一条的消息，而且更是ROS中topic的格式规范。或者可以理解msg是一个“类”，那么我们每次发布的内容可以理解为“对象”，这么对比来理解可能更加容易。我们实际通常不会把Message概念分的那么清，通常说Message既指的是类，也是指它的对象。而msg文件则相当于类的定义了。