ROS保姆级教程(一)--Topic通讯方式实现

写在前面：小白在使用ROS的时候往往会出现各种各样的问题，回顾我自己的ROS学习之路，也是坎坎坷坷，各种报错让人怀疑人生。因此想写下一个系列的小教程，主要以ROS的通讯方式的实现为目的，穿插各种常见的操作，做到真正的保姆级教程，一步一步来实现，话不多说，正式开始！

关于ROS的学习我之前在这篇博客已经有所总结，ROS WiKi里的自然是最好的第一手教程，跟着wiki上的教程走一遍，基本就能学会ROS 的一些基本使用了，所以说学好英语很重要。众所周知，ROS中的通信方式有四种：主题、服务、参数服务器和动作库。这个系列的博客主要用来介绍ROS中的这几种通信方式，一共四篇，先以经典的小海龟为例，然后再自己动手写一个相关的实现，主要参考古月居大佬的视频教程。

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

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。

上图就是ROS的topic通信方式的流程示意图。topic通信属于一种异步的通信方式。下面我们通过一个示例来了解下如何使用topic通信。

publisher的编程实现

上图就是一个完整的topic流程，我们今天就是要实现这个小海龟的话题通讯功能。

首先在终端新建catkin_ws并且在src中创建功能包，如下:

mkdir catkin_ws
cd catkin_ws
mkdir src
cd src
catkin_create_pkg learning_topic roscpp rospy std_msgs geometry_msgs turtlesim

这里解释一下catkin_create_pkg lesrning_topic roscpp rospy std_msgs geometry_msgs turtlesim的意思，这就是一个标准的创建功能包的语句，catkin_create_pkg是创建功能包，lesrning_topic是自己起的功能包的名字，后面的则是依赖项，本篇博客主要依赖的就是roscpp rospy std_msgs geometry_msgs turtlesim，具体的创建功能包的语法如下：

catkin_create_pkg [package name] [depend1] [depend2] ...

如果没有问题，那么出现以下提示则说明功能包创建成功：

在功能包文件夹中，ros为我们创建了以下东西：

之后，我们就可以着手编写publisher了。在上图中的src中新建velocity_publisher.cpp文件，在文件中写下以下代码，这一段代码是本节的核心，主要就是要理解publisher的整个发布流程：

/**
 * 该例程将发布turtle1/cmd_vel话题，消息类型geometry_msgs::Twist
 */
 
#include 
#include 

int main(int argc, char **argv)
{
	// ROS节点初始化
	ros::init(argc, argv, "velocity_publisher");

	// 创建节点句柄
	ros::NodeHandle n;

	// 创建一个Publisher，发布名为/turtle1/cmd_vel的topic，消息类型为geometry_msgs::Twist，队列长度10
	ros::Publisher turtle_vel_pub = n.advertise<geometry_msgs::Twist>("/turtle1/cmd_vel", 10);

	// 设置循环的频率
	ros::Rate loop_rate(10);

	int count = 0;
	while (ros::ok())
	{
	    // 初始化geometry_msgs::Twist类型的消息
		geometry_msgs::Twist vel_msg;
		vel_msg.linear.x = 0.5;
		vel_msg.angular.z = 0.2;

	    // 发布消息
		turtle_vel_pub.publish(vel_msg);
		ROS_INFO("Publsh turtle velocity command[%0.2f m/s, %0.2f rad/s]", 
				vel_msg.linear.x, vel_msg.angular.z);

	    // 按照循环频率延时
	    loop_rate.sleep();
	}

	return 0;
}

随后打开CmakeList.txt文件，在相应的地方(Build)添加这两句话：

add_executable(velocity_publisher src/velocity_publisher.cpp)
target_link_libraries(velocity_publisher ${catkin_LIBRARIES})

关于以上两句的cmake语法，可以参考这篇博客，其实也就是一个简单的编译和链接。

之后我们回到catkin_ws目录下进行编译，主要步骤如下：
首先是

catkin_make

这样就是说明编译成功了。
然后启动roscore。之后同时按住CTRL+shift+t打开新终端，启动小海龟的仿真节点：

rosrun turtlesim turtlesim_node

最后再同时按住CTRL+shift+t打开新终端，source一下之后启动话题发布节点即可：

source devel/setup.bash 
rosrun learning_topic velocity_publisher

最终结果如下：

subscriber的编程实现

上一节我们解决了publisher，这一节我们来学习subscriber的实现。依然以我们的小海龟仿真器来举例。

依然在src文件夹中，新建一个新的cpp文件，取名velocity_publisher.cpp
将以下代码拷贝进去：

/**
 * 该例程将订阅/turtle1/pose话题，消息类型turtlesim::Pose
 */
 
#include 
#include "turtlesim/Pose.h"

// 接收到订阅的消息后，会进入消息回调函数
void poseCallback(const turtlesim::Pose::ConstPtr& msg)
{
    // 将接收到的消息打印出来
    ROS_INFO("Turtle pose: x:%0.6f, y:%0.6f", msg->x, msg->y);
}

int main(int argc, char **argv)
{
    // 初始化ROS节点
    ros::init(argc, argv, "pose_subscriber");

    // 创建节点句柄
    ros::NodeHandle n;

    // 创建一个Subscriber，订阅名为/turtle1/pose的topic，注册回调函数poseCallback
    ros::Subscriber pose_sub = n.subscribe("/turtle1/pose", 10, poseCallback);

    // 循环等待回调函数
    ros::spin();

    return 0;
}

之后依然是在CmakeList.txt文件中添加相应的语句：

add_executable(pose_subscriber src/pose_subscriber.cpp)
target_link_libraries(pose_subscriber ${catkin_LIBRARIES})

如下所示：

随后再回到catkin_ws目录下catkin_make即可：

随后的操作参考上一节，依旧是启动小海龟仿真器即可，需要注意的是要计得source一下。
先启动roscore。之后同时按住CTRL+shift+t打开新终端，启动小海龟的仿真节点：

rosrun turtlesim turtlesim_node

最后再同时按住CTRL+shift+t打开新终端，source一下之后启动话题订阅节点即可：

cd catkin_ws/
source devel/setup.bash 
rosrun learning_topic pose_subscriber

此时就可以看到我们的subscriber在接受数据了，这里显示的是小海龟的xy坐标：

同时按住CTRL+shift+t打开新终端，source一下之后启动上一节的话题发布节点，可以看到两者的发布和订阅以及小海龟的实时运动：

source devel/setup.bash
rosrun learning_topic velocity_publisher

效果如下图：

Topic的定义和使用

通过上面的小海龟学习，相信大家已经对Topic的通信方式有所了解了，但是上一节中我们发布的twist和订阅的pose，都是小海龟自身给我们定义好的。所以现在我们来自己实现一个Topic流程。

大致的流程与上一节其实并没有区别，唯一的不同其实就在于对topic的定制化。

定义

下图就是自定义话题消息的主要流程：首先再msg文件中定义好数据类型；然后在package.xml中添加功能包依赖；再在CMakeLists.txt添加编译选项；最后再进行编译即可使用。

首先再msg文件中定义好数据类型

在我们的功能包文件夹中创建msg文件夹，以后相关的msg文件都可以放在这里面：

进到msg文件夹中，在终端中打开，输入：

touch Person.msg

即可创建我们的msg文件：

打开msg文件，将以下数据定义copy进去：

string name
uint8  age
uint8  sex

uint8 unknown = 0
uint8 male    = 1
uint8 female  = 2

在package.xml中添加功能包依赖

这里主要添加两个很常见的依赖项，一个是编译依赖一个是执行依赖

<build_depend>message_generation</build_depend>
<exec_depend>message_runtime</exec_depend>

在CMakeLists.txt添加编译选项

最后再进行编译

进入到catkin_ws来编译，直接catkin_make即可，如下所示即编译成功：

此时我们可以看到下图所示的文件夹中有了一个Person.h的头文件，这是根据我们之前的一些定自动生成的c++头文件，我们需要在下面的代码中去调用它：

使用

首先在我们的功能包中的src文件夹中新建两个cpp文件，分别是person_publisher.cpp和person_subscriber.cpp，各自的代码如下：

/**
 * 该例程将发布/person_info话题，自定义消息类型learning_topic::Person
 */
 
#include 
#include "learning_topic/Person.h"

int main(int argc, char **argv)
{
    // ROS节点初始化
    ros::init(argc, argv, "person_publisher");

    // 创建节点句柄
    ros::NodeHandle n;

    // 创建一个Publisher，发布名为/person_info的topic，消息类型为learning_topic::Person，队列长度10
    ros::Publisher person_info_pub = n.advertise<learning_topic::Person>("/person_info", 10);

    // 设置循环的频率
    ros::Rate loop_rate(1);

    int count = 0;
    while (ros::ok())
    {
        // 初始化learning_topic::Person类型的消息
    	learning_topic::Person person_msg;
		person_msg.name = "Tom";
		person_msg.age  = 18;
		person_msg.sex  = learning_topic::Person::male;

        // 发布消息
		person_info_pub.publish(person_msg);

       	ROS_INFO("Publish Person Info: name:%s  age:%d  sex:%d", 
				  person_msg.name.c_str(), person_msg.age, person_msg.sex);

        // 按照循环频率延时
        loop_rate.sleep();
    }

    return 0;
}

/**
 * 该例程将订阅/person_info话题，自定义消息类型learning_topic::Person
 */
 
#include 
#include "learning_topic/Person.h"

// 接收到订阅的消息后，会进入消息回调函数
void personInfoCallback(const learning_topic::Person::ConstPtr& msg)
{
    // 将接收到的消息打印出来
    ROS_INFO("Subcribe Person Info: name:%s  age:%d  sex:%d", 
			 msg->name.c_str(), msg->age, msg->sex);
}

int main(int argc, char **argv)
{
    // 初始化ROS节点
    ros::init(argc, argv, "person_subscriber");

    // 创建节点句柄
    ros::NodeHandle n;

    // 创建一个Subscriber，订阅名为/person_info的topic，注册回调函数personInfoCallback
    ros::Subscriber person_info_sub = n.subscribe("/person_info", 10, personInfoCallback);

    // 循环等待回调函数
    ros::spin();

    return 0;
}

发布者和订阅者的设计与上一节没有什么显著区别：


最后需要在CMakeLists.txt添加编译选项

将以下的语句复制到对应的位置：

add_executable(person_publisher src/person_publisher.cpp) 
target_link_libraries(person_publisher ${catkin_LIBRARIES})  
add_dependencies(person_publisher ${PROJECT_NAME}_generate_messages_cpp)

add_executable(person_subscriber src/person_subscriber.cpp)  
target_link_libraries(person_subscriber ${catkin_LIBRARIES})  
add_dependencies(person_subscriber ${PROJECT_NAME}_generate_messages_cpp)

运行

最后再回到catkin_make路径下编译运行即可，相信经过前面的有关操作，这一步大家应该已经驾轻就熟了。

catkin_make

如下即表示编译成功：

然后启动roscore，再运行下面两句，让订阅者先在一旁等待

source devel/setup.bash 
rosrun learning_topic person_subscriber 

同时按住shift+alt+t打开新的终端，输入：

cd catkin_ws/
source devel/setup.bash 
rosrun learning_topic person_publisher 

如下图所示，可以看到发布者和订阅者在进行收发的通讯了：

值得一提的是，此时即便关闭roscore，发布者和订阅者之间的通讯也是不会被打断的，因为rosmaster只是起到一个婚姻中介所的作用，当发布者和订阅者两者已经认识之后，即便没有这个中介所，两者依然是能够进行交流的，如下图所示:

当然，此时如果还有其他的节点想要加入通讯，由于婚姻中介所已经不再，所以这是不可能达成的。

至此，我们学习了Topic的使用方法，下一篇博客，我们将介绍Service的通讯方式。