【ROS】话题通信--从理论介绍到模型实现(C++)

1.简单介绍

话题通信是ROS中使用频率最高的一种通信模式，话题通信是基于发布订阅模式的，也即:一个节点发布消息，另一个节点订阅该消息。像雷达、摄像头、GPS… 等等一些传感器数据的采集，也都是使用了话题通信，换言之，话题通信适用于不断更新的、少逻辑处理的数据传输场景。

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2.理论模型

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。

整个流程由以下步骤实现（引用自Autolabor-ROS）:

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。即便关闭ROS Master，Talker 与 Listern 照常通信。

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3.模型实现(C++)

首先创建工作空间，并shift+ctrl+B配置好编译文件，然后创建功能包plumbing_pub_sub并添加依赖，然后创建cpp源文件
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，所以大体流程如下：
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.发布方实现：demo01_pub.cpp

/*
    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 

int main(int argc, char  *argv[])
{   
    //设置编码，避免中文乱码
    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;

    std::string msg_front = "Hello 你好！"; //消息前缀
    int count = 0; //消息计数器

    //逻辑(一秒1次/1HZ)
    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("发送的消息是:%s",msg.data.c_str());

        //根据前面制定的发送频率自动休眠 休眠时间 = 1/频率；
        r.sleep();
        
        count++;//循环结束前，让 count 自增
    }


    return 0;
}

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2.订阅方实现：demo02_sub.cpp

/*
    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"


//通过msg_p获取并操作订阅到的数据
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
    //5.处理订阅的消息(回调函数)
    ros::Subscriber sub = nh.subscribe<std_msgs::String>("chatter",10,doMsg);

    //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;
}

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3.编辑配置文件CMakeList

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}
)

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然后ctrl + shift + B 编译后再执行：编译完成后启动roscore ，再启动发布节点，再启动订阅节点，效果如下。。。

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一些注意事项：

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 依赖出现重复,删除多出来的包即可

补充2:
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

补充3:
可以新开一个终端，输入rqt_graph查看计算图

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4.话题通信自定义msg

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。

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现在要自定义消息，该消息包含人的信息：姓名、身高、年龄等。
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

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2.编辑配置文件
package.xml中添加编译依赖与执行依赖

  <build_depend>message_generationbuild_depend>
  <exec_depend>message_runtimeexec_depend>

一条是编译，一条是运行

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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

放开后多添加一个编译依赖

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## 配置 msg 源文件
add_message_files(
  FILES
  Person.msg
)

放开后添加自定义msg文件

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# 生成消息时依赖于 std_msgs
generate_messages(
  DEPENDENCIES
  std_msgs
)

直接找到并放开

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#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
)

放开后，多添加一个执行依赖

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然后编译生成中间文件：之后只要调用头文件就可以正常使用了。

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5.自定义msg的调用(C++)

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:

右击头文件所在的包，在集成终端中打开，并输入pwd
会得到这个头文件的路径


把这个路径复制到这个文件的includePath中，把最后的包名改成 * * 可以包括进所有包，添加的时候，前一条路径最后面的逗号别忘了加

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发布方
和之前一样的道理，只不过发送的消息不同

/*
    需求: 循环发布人的信息

*/

#include "ros/ros.h"
#include "plumbing_pub_sub/Person.h"

int main(int argc, char *argv[])
{
    setlocale(LC_ALL,""); //避免输出乱码

    //1.初始化 ROS 节点
    ros::init(argc,argv,"banZhuRen");

    //2.创建 ROS 句柄
    ros::NodeHandle nh;

    //3.创建发布者对象
    ros::Publisher pub = nh.advertise<plumbing_pub_sub::Person>("chatter_person",1000);

    //4.组织被发布的消息，编写发布逻辑并发布消息

    //创建被发布的数据
    plumbing_pub_sub::Person p;
    p.name = "孙悟空";
    p.age = 2000;
    p.height = 1.45;

    //发布频率
    ros::Rate r(1);

    //循环发布
    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;
}

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订阅方

/*
    需求: 订阅人的信息

*/

#include "ros/ros.h"
#include "plumbing_pub_sub/Person.h"

void doPerson(const plumbing_pub_sub::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,"jiaZhang");

    //2.创建 ROS 句柄
    ros::NodeHandle nh;

    //3.创建订阅者对象
    //4.回调函数中处理 person
    ros::Subscriber sub = nh.subscribe<plumbing_pub_sub::Person>("chatter_person",10,doPerson);

    //5.转头执行回调函数
    ros::spin();

    return 0;
}

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配置CMakeList
需要添加 add_dependencies 用以设置所依赖的消息相关的中间文件。
以保证先编译自定义msg文件，再去编译cpp源文件

add_executable(新发布方源文件名 src/源文件名.cpp)
add_executable(新订阅方源文件名 src/源文件名.cpp)



add_dependencies(新发布方源文件名 ${PROJECT_NAME}_generate_messages_cpp)
add_dependencies(新订阅方源文件名 ${PROJECT_NAME}_generate_messages_cpp)


target_link_libraries(新发布方源文件名
  ${catkin_LIBRARIES}
)
target_link_libraries(新订阅方源文件名
  ${catkin_LIBRARIES}
)

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然后编译运行即可。。。。效果和之前差不多，不过这次的消息类型是自定义的。

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节点关系图