ROS：通信机制

一、通信机制简介

机器人是一种高度复杂的系统性实现，在机器人上可能集成各种传感器(雷达、摄像头、GPS等)以及运动控制实现，为了解耦合，在ROS中每一个功能点都是一个单独的进程，每一个进程都是独立运行的。更确切的讲，ROS是进程（也称为Nodes）的分布式框架。 因为这些进程甚至还可分布于不同主机，不同主机协同工作，从而分散计算压力。不过随之也有一个问题: 不同的进程是如何通信的？不同进程间如何实现数据交换的？这里就涉及到ROS中的通信机制了。

ROS 中的基本通信机制主要有如下三种实现策略:
话题通信(发布订阅模式)
服务通信(请求响应模式)
参数服务器(参数共享模式)

二、话题通信机制

2.1话题通信简介

话题在ROS中使用最为频繁，其通信模型也较为复杂。在ROS中有两个节点：一个是发布者Talker，另一个是订阅着Listener。两个节点分别发布、订阅同一个话题，启动顺序没有强制要求，此处假设Talker首先启动，可分为如下七步分析建立通信的详细过程。

0、Talker注册
Talker启动，通过1234端口使用RPC向ROS Master注册发布者的信息，包含所发布消息的话题名;ROS Master会将节点的注册信息加入注册列表中。
1、Listener注册
Listener启动，同样通过RPC向ROS Master注册订阅者的信息，包含需要订阅的话题名。
2、ROS Master进行信息匹配
Master根据Listener的订阅信息从注册列表中进行查找，如果没有找到匹配的发布者，则等待发布者的加入：如果找到匹配的发布者信息，则通过RPC向Listener发送Talker的RPC地址信息。
3、Listener发送连接请求
Listener接收到Master发回的Talker地址信息，尝试通过RPC向Talker发送连接请求，传输订阅的话题名、消息类型以及通信协议（TCP/UDP）
4、Talker确认连接请求
Talker接收到Listener发送的连接请求后，继续通过RPC向Listener确认连接信息，其中包含自身的TCP地址信息。
5、Listener尝试与Talker建立网络连接
Listener接收到确认信息后，使用TCP尝试与Talker建立网络连接。
6、Talker向Listener发布数据
成功建立连接后，Talker开始向Listener发送话题消息数据。
从上面的分析中可以发现，前五个步骤使用的通信协议都是RPC，最后发布数据的过程才使用到TCP。ROS Master在节点建立连接的过程中起到了重要作用，但是并不参与节点之间最终的数据传输。

2.2话题通信实操（C++）

2.2.1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：
编写发布方实现；
编写订阅方实现；
编辑配置文件；
编译并执行。

2.2.2发布方代码

#include "ros/ros.h"
#include "std_msgs/String.h"
#include "sstream"

/*
发布方实现：
1.包含头文件
ROS中文本类型--->td_msgs/String.h
2.初始化ros节点
3.创建节点句柄
4.创建发布者对象
5.编写发布逻辑并发布数据
*/



int main(int argc, char *argv[])
{
    setlocale(LC_ALL,"");
    //2.初始化ros节点
    ros::init(argc,argv,"erGouZi");
    //3.创建节点句柄
    ros::NodeHandle nh;
    //4.创建发布者对象
    ros::Publisher pub = nh.advertise<std_msgs::String>("fang",10);
    //5.编写发布逻辑并发布数据
    //要求以10HZ的频率发布数据，并且文本后添加编号
    //先创建被发布的消息
    std_msgs::String msg;
    //发布频率
    ros::Rate rate(10);
    //设置编号
    int count =0;
    //编写循环，循环中发布数据
    while (ros::ok())
    {
        count++;
        //msg.data = "hello";
        //实现字符串拼接数字
        std::stringstream ss;
        ss << "hello ---> " <<count;
        msg.data = ss.str();
        pub.publish(msg);

        //添加日志
        ROS_INFO("发布的数据是：%s",ss.str().c_str());

        rate.sleep();根据前面制定的发送贫频率自动休眠 休眠时间 = 1/频率；

        ros::spinOnce();//官方建议添加回调函数
    }
    
    return 0;
}

2.2.3订阅方代码

#include "ros/ros.h"
#include "std_msgs/String.h"


/*
订阅方实现：
1.包含头文件
ROS中文本类型--->td_msgs/String.h
2.初始化ros节点
3.创建节点句柄
4.创建订阅者对象
5.处理订阅数据
6.sain()函数
*/

void doMsg(const std_msgs::String::ConstPtr &msg)
{
    //通过msg获取并操作订阅到的数据
    ROS_INFO("翠花订阅的数据：%s",msg->data.c_str());

}

int main(int argc, char *argv[])
{
    setlocale(LC_ALL,"");
    //2.初始化ros节点
    ros::init(argc,argv,"cuihua");
    //3.创建节点句柄
    ros::NodeHandle nh;
    //4.创建订阅者对象
    ros::Subscriber sub = nh.subscribe("fang",10,doMsg);
    //5.处理订阅数据

    ros::spin();//循环读取接收的数据，并调用回调函数处理




    return 0;
}

2.2.4配置CMakeLists.txt

add_executable(demo01_pub src/demo01_pub.cpp)
add_executable(demo02_sub src/demo02_sub.cpp)

target_link_libraries(demo01_pub
  ${catkin_LIBRARIES}
)
target_link_libraries(demo02_sub
  ${catkin_LIBRARIES}
)

2.2.5执行

1.启动 roscore;

2.启动发布节点;

3.启动订阅节点。

2.2.6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

2.3话题通信实操（python）

2.3.1分析

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

2.3.2发布方代码

#include "ros/ros.h"
#include "std_msgs/String.h"
#include "sstream"

/*
发布方实现：
1.包含头文件
ROS中文本类型--->td_msgs/String.h
2.初始化ros节点
3.创建节点句柄
4.创建发布者对象
5.编写发布逻辑并发布数据
*/



int main(int argc, char *argv[])
{
    setlocale(LC_ALL,"");
    //2.初始化ros节点
    ros::init(argc,argv,"erGouZi");
    //3.创建节点句柄
    ros::NodeHandle nh;
    //4.创建发布者对象
    ros::Publisher pub = nh.advertise<std_msgs::String>("fang",10);
    //5.编写发布逻辑并发布数据
    //要求以10HZ的频率发布数据，并且文本后添加编号
    //先创建被发布的消息
    std_msgs::String msg;
    //发布频率
    ros::Rate rate(10);
    //设置编号
    int count =0;
    //编写循环，循环中发布数据
    while (ros::ok())
    {
        count++;
        //msg.data = "hello";
        //实现字符串拼接数字
        std::stringstream ss;
        ss << "hello ---> " <<count;
        msg.data = ss.str();
        pub.publish(msg);

        //添加日志
        ROS_INFO("发布的数据是：%s",ss.str().c_str());

        rate.sleep();//根据前面制定的发送贫频率自动休眠 休眠时间 = 1/频率；

        ros::spinOnce();//官方建议添加回调函数
    }
    
    return 0;
}

2.3.3订阅方代码

#! /usr/bin/env python

import rospy
from std_msgs.msg import String #发布消息的类型

"""
使用py 实现消息订阅
1.导包
2.初始化ROS节点
3.创建订阅者对象
4.回调函数处理数据
spin

"""
def doMsg(msg):
    rospy.loginfo("我订阅的数据：%s",msg.data)


if __name__ == "__main__":
    # 2.初始化ROS节点
    rospy.init_node("huahua")#传入节点名称
    # 3.创建订阅者对象
    sub = rospy.Subscriber("che",String,doMsg,queue_size=10)
    # 4.回调函数处理数据
    #5.spin
    rospy.spin()

2.3.4添加可执行权限

终端下进入 scripts 执行:chmod +x *.py

2.3.5配置 CMakeLists.txt

catkin_install_python(PROGRAMS
  scripts/demo01_pub_p.py
  DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_BIN_DESTINATION}
)
catkin_install_python(PROGRAMS
  scripts/demo02_sub_p.py
  DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_BIN_DESTINATION}
)

2.3.6执行

1.启动 roscore;

2.启动发布节点;

3.启动订阅节点。

注：可以使用 rqt_graph 查看节点关系。

三、服务通信机制

服务是一种带有应答的通信机制，与话题的通信相比，其减少了Listener与Talker之间的RPC通信。

0、Talker注册
Talker启动，通过1234端口使用RPC向ROS Master注册发布者的信息，包含所提供的服务名;ROS Master会将节点的注册信息加入注册列表中。
1、Listener注册
Listener启动，同样通过RPC向ROS Master注册订阅者的信息，包含需要订阅的服务名。
2、ROS Master进行信息匹配
Master根据Listener的订阅信息从注册列表中进行查找，如果没有找到匹配的服务提供者，则等待该服务的提供者加入：如果找到匹配的服务提供者信息，则通过RPC向Listener发送Talker的TCP地址信息。
4、Listener与Talker建立网络连接
Listener接收到确认信息后，使用TCP尝试与Talker建立网络连接，并且发送服务的请求数据。
5、Talker向Listener发布服务应答数据
Talker接收到服务请求和参数后，开始执行服务功能，执行完成后，向Listener发送应答数据。

四、参数管理机制

参数类似于ROS中的全局变量，由ROS Master进行管理，其通信机制较为简单，不涉及TCP/UDP的通信。

1、Talker设置变量
Talker使用RPC向ROS Master发送参数设置数据，包含参数名和参数值;ROS Master会将参数名和参数值保存到参数列表中。
2、Listener查询参数值
Listener通过RPC向ROS Master发送参数查找请求，包含所要查找的参数名。
3、ROS Master向Listener发送参数值
Master根据Listener的查找请求从参数列表中进行查找，查找到参数后，使用RPC将参数值发送给Listener。

五、话题与服务的区别

话题和服务是ROS中最基础也是使用最多的通信方法。具体总结如表所示。
话题与服务的区别

总之，话题是ROS中基于发布/订阅模型的异步通信模式，这种方式将信息的产生和使用双方解耦，常用于不断更新的、含有较少逻辑处理的数据通信;而服务多用于处理ROS中的同步通信，采用客户端/服务器模型，常用于数据量较少但有强逻辑处理的数据交换。