【ROS 03】ROS通信机制进阶
上一章内容，主要介绍了ROS通信的实现，内容偏向于粗粒度的通信框架的讲解，没有详细介绍涉及的API，也没有封装代码，鉴于此，本章主要内容如下:
- ROS常用API介绍；
- ROS中自定义头文件与源文件的使用。
预期达成的学习目标:
- 熟练掌握ROS常用API；
- 掌握ROS中自定义头文件与源文件的配置。
1 常用API
首先，建议参考官方API文档或参考源码:
- ROS节点的初始化相关API;
- NodeHandle 的基本使用相关API;
- 话题的发布方，订阅方对象相关API;
- 服务的服务端，客户端对象相关API;
- 时间相关API;
- 日志输出相关API。
参数服务器相关API在第二章已经有详细介绍和应用，在此不再赘述。
另请参考:
-
APIs - ROS Wiki
-
roscpp: roscpp
1.1 初始化
C++
/** @brief ROS初始化函数。
*
* 该函数可以解析并使用节点启动时传入的参数(通过参数设置节点名称、命名空间...)
*
* 该函数有多个重载版本，如果使用NodeHandle建议调用该版本。
*
* \param argc 参数个数
* \param argv 参数列表
* \param name 节点名称，需要保证其唯一性，不允许包含命名空间
* \param options 节点启动选项，被封装进了ros::init_options
*
*/
void init(int &argc, char **argv, const std::string& name, uint32_t options = 0);
加随机数，避免重名问题。
Python
def init_node(name, argv=None, anonymous=False, log_level=None, disable_rostime=False, disable_rosout=False, disable_signals=False, xmlrpc_port=0, tcpros_port=0):
"""
在ROS msater中注册节点
@param name: 节点名称，必须保证节点名称唯一，节点名称中不能使用命名空间(不能包含 '/')
@type name: str
@param anonymous: 取值为 true 时，为节点名称后缀随机编号
@type anonymous: bool
"""
1.2 话题与服务相关对象
在 roscpp 中，话题和服务的相关对象一般由 NodeHandle 创建。
NodeHandle有一个重要作用是可以用于设置命名空间，这是后期的重点，但是本章暂不介绍。
1.2.1 发布对象
对象获取:
/**
* \brief 根据话题生成发布对象
*
* 在 ROS master 注册并返回一个发布者对象，该对象可以发布消息
*
* 使用示例如下:
*
* ros::Publisher pub = handle.advertise("my_topic", 1);
*
* \param topic 发布消息使用的话题
*
* \param queue_size 等待发送给订阅者的最大消息数量
*
* \param latch (optional) 如果为 true,该话题发布的最后一条消息将被保存，并且后期当有订阅者连接时会将该消息发送给订阅者
*
* \return 调用成功时，会返回一个发布对象
*
*
*/
template
Publisher advertise(const std::string& topic, uint32_t queue_size, bool latch = false)
class Publisher(Topic):
"""
在ROS master注册为相关话题的发布方
"""
def __init__(self, name, data_class, subscriber_listener=None, tcp_nodelay=False, latch=False, headers=None, queue_size=None):
"""
Constructor
@param name: 话题名称
@type name: str
@param data_class: 消息类型
@param latch: 如果为 true,该话题发布的最后一条消息将被保存，并且后期当有订阅者连接时会将该消息发送给订阅者
@type latch: bool
@param queue_size: 等待发送给订阅者的最大消息数量
@type queue_size: int
"""
消息发布函数:
/**
* 发布消息
*/
template
void publish(const M& message) const
def publish(self, *args, **kwds):
"""
发布消息
"""
1.2.2 订阅对象
对象获取:
/**
* \brief 生成某个话题的订阅对象
*
* 该函数将根据给定的话题在ROS master 注册，并自动连接相同主题的发布方，每接收到一条消息，都会调用回调
* 函数，并且传入该消息的共享指针，该消息不能被修改，因为可能其他订阅对象也会使用该消息。
*
* 使用示例如下:
void callback(const std_msgs::Empty::ConstPtr& message)
{
}
ros::Subscriber sub = handle.subscribe("my_topic", 1, callback);
*
* \param M [template] M 是指消息类型
* \param topic 订阅的话题
* \param queue_size 消息队列长度，超出长度时，头部的消息将被弃用
* \param fp 当订阅到一条消息时，需要执行的回调函数
* \return 调用成功时，返回一个订阅者对象，失败时，返回空对象
*
void callback(const std_msgs::Empty::ConstPtr& message){...}
ros::NodeHandle nodeHandle;
ros::Subscriber sub = nodeHandle.subscribe("my_topic", 1, callback);
if (sub) // Enter if subscriber is valid
{
...
}
*/
template
Subscriber subscribe(const std::string& topic, uint32_t queue_size, void(*fp)(const boost::shared_ptr&), const TransportHints& transport_hints = TransportHints())
class Subscriber(Topic):
"""
类注册为指定主题的订阅者，其中消息是给定类型的。
"""
def __init__(self, name, data_class, callback=None, callback_args=None,
queue_size=None, buff_size=DEFAULT_BUFF_SIZE, tcp_nodelay=False):
"""
Constructor.
@param name: 话题名称
@type name: str
@param data_class: 消息类型
@type data_class: L{Message} class
@param callback: 处理订阅到的消息的回调函数
@type callback: fn(msg, cb_args)
@param queue_size: 消息队列长度，超出长度时，头部的消息将被弃用
"""
1.2.3 服务对象
对象获取:
/**
* \brief 生成服务端对象
*
* 该函数可以连接到 ROS master，并提供一个具有给定名称的服务对象。
*
* 使用示例如下:
\verbatim
bool callback(std_srvs::Empty& request, std_srvs::Empty& response)
{
return true;
}
ros::ServiceServer service = handle.advertiseService("my_service", callback);
\endverbatim
*
* \param service 服务的主题名称
* \param srv_func 接收到请求时，需要处理请求的回调函数
* \return 请求成功时返回服务对象，否则返回空对象:
\verbatim
bool Foo::callback(std_srvs::Empty& request, std_srvs::Empty& response)
{
return true;
}
ros::NodeHandle nodeHandle;
Foo foo_object;
ros::ServiceServer service = nodeHandle.advertiseService("my_service", callback);
if (service) // Enter if advertised service is valid
{
...
}
\endverbatim
*/
template
ServiceServer advertiseService(const std::string& service, bool(*srv_func)(MReq&, MRes&))
class Service(ServiceImpl):
"""
声明一个ROS服务
使用示例::
s = Service('getmapservice', GetMap, get_map_handler)
"""
def __init__(self, name, service_class, handler,
buff_size=DEFAULT_BUFF_SIZE, error_handler=None):
"""
@param name: 服务主题名称 ``str``
@param service_class:服务消息类型
@param handler: 回调函数，处理请求数据，并返回响应数据
@type handler: fn(req)->resp
"""
1.2.4 客户端对象
对象获取:
/**
* @brief 创建一个服务客户端对象
*
* 当清除最后一个连接的引用句柄时，连接将被关闭。
*
* @param service_name 服务主题名称
*/
template
ServiceClient serviceClient(const std::string& service_name, bool persistent = false,
const M_string& header_values = M_string())
class ServiceProxy(_Service):
"""
创建一个ROS服务的句柄
示例用法::
add_two_ints = ServiceProxy('add_two_ints', AddTwoInts)
resp = add_two_ints(1, 2)
"""
def __init__(self, name, service_class, persistent=False, headers=None):
"""
ctor.
@param name: 服务主题名称
@type name: str
@param service_class: 服务消息类型
@type service_class: Service class
"""
请求发送函数:
/**
* @brief 发送请求
* 返回值为 bool 类型，true，请求处理成功，false，处理失败。
*/
template
bool call(Service& service)
def call(self, *args, **kwds):
"""
发送请求，返回值为响应数据
"""
等待服务函数1:
/**
* ros::service::waitForService("addInts");
* \brief 等待服务可用，否则一致处于阻塞状态
* \param service_name 被"等待"的服务的话题名称
* \param timeout 等待最大时常，默认为 -1，可以永久等待直至节点关闭
* \return 成功返回 true，否则返回 false。
*/
ROSCPP_DECL bool waitForService(const std::string& service_name, ros::Duration timeout = ros::Duration(-1));
等待服务函数2:
/**
* client.waitForExistence();
* \brief 等待服务可用，否则一致处于阻塞状态
* \param timeout 等待最大时常，默认为 -1，可以永久等待直至节点关闭
* \return 成功返回 true，否则返回 false。
*/
bool waitForExistence(ros::Duration timeout = ros::Duration(-1));
def wait_for_service(service, timeout=None):
"""
调用该函数时，程序会处于阻塞状态直到服务可用
@param service: 被等待的服务话题名称
@type service: str
@param timeout: 超时时间
@type timeout: double|rospy.Duration
"""
1.3 回旋函数
在ROS程序中，频繁的使用了 ros::spin() 和 ros::spinOnce() 两个回旋函数，可以用于处理回调函数。
1.3.1 spinOnce()
/**
* \brief 处理一轮回调
*
* 一般应用场景:
* 在循环体内，处理所有可用的回调函数
*
*/
ROSCPP_DECL void spinOnce();
1.3.2 spin()
C++：
/**
* \brief 进入循环处理回调
*/
ROSCPP_DECL void spin();
相同点:二者都用于处理回调函数；
不同点: ros::spin() 是进入了循环执行回调函数，而 ros::spinOnce() 只会执行一次回调函数(没有循环)，在 ros::spin() 后的语句不会执行到，而 ros::spinOnce() 后的语句可以执行。
Python：
def spin():
"""
进入循环处理回调
"""
1.4 时间
ROS中时间相关的API是极其常用，比如:获取当前时刻、持续时间的设置、执行频率、休眠、定时器...都与时间相关。
1.4.1 时刻
获取时刻，或是设置指定时刻:
ros::init(argc,argv,"hello_time");
ros::NodeHandle nh;//必须创建句柄，否则时间没有初始化，导致后续API调用失败
ros::Time right_now = ros::Time::now();//将当前时刻封装成对象
ROS_INFO("当前时刻:%.2f",right_now.toSec());//获取距离 1970年01月01日 00:00:00 的秒数
ROS_INFO("当前时刻:%d",right_now.sec);//获取距离 1970年01月01日 00:00:00 的秒数
ros::Time someTime(100,100000000);// 参数1:秒数 参数2:纳秒
ROS_INFO("时刻:%.2f",someTime.toSec()); //100.10
ros::Time someTime2(100.3);//直接传入 double 类型的秒数
ROS_INFO("时刻:%.2f",someTime2.toSec()); //100.30
# 获取当前时刻
right_now = rospy.Time.now()
rospy.loginfo("当前时刻:%.2f",right_now.to_sec())
rospy.loginfo("当前时刻:%.2f",right_now.to_nsec())
# 自定义时刻
some_time1 = rospy.Time(1234.567891011)
some_time2 = rospy.Time(1234,567891011)
rospy.loginfo("设置时刻1:%.2f",some_time1.to_sec())
rospy.loginfo("设置时刻2:%.2f",some_time2.to_sec())
# 从时间创建对象
# some_time3 = rospy.Time.from_seconds(543.21)
some_time3 = rospy.Time.from_sec(543.21) # from_sec 替换了 from_seconds
rospy.loginfo("设置时刻3:%.2f",some_time3.to_sec())
1.4.2 持续时间
设置一个时间区间(间隔):
ROS_INFO("当前时刻:%.2f",ros::Time::now().toSec());
ros::Duration du(10);//持续10秒钟,参数是double类型的，以秒为单位
du.sleep();//按照指定的持续时间休眠
ROS_INFO("持续时间:%.2f",du.toSec());//将持续时间换算成秒
ROS_INFO("当前时刻:%.2f",ros::Time::now().toSec());
# 持续时间相关API
rospy.loginfo("持续时间测试开始.....")
du = rospy.Duration(3.3)
rospy.loginfo("du1 持续时间:%.2f",du.to_sec())
rospy.sleep(du) #休眠函数
rospy.loginfo("持续时间测试结束.....")
1.4.3 持续时间与时刻运算
为了方便使用，ROS中提供了时间与时刻的运算:
ROS_INFO("时间运算");
ros::Time now = ros::Time::now();
ros::Duration du1(10);
ros::Duration du2(20);
ROS_INFO("当前时刻:%.2f",now.toSec());
//1.time 与 duration 运算
ros::Time after_now = now + du1;
ros::Time before_now = now - du1;
ROS_INFO("当前时刻之后:%.2f",after_now.toSec());
ROS_INFO("当前时刻之前:%.2f",before_now.toSec());
//2.duration 之间相互运算
ros::Duration du3 = du1 + du2;
ros::Duration du4 = du1 - du2;
ROS_INFO("du3 = %.2f",du3.toSec());
ROS_INFO("du4 = %.2f",du4.toSec());
//PS: time 与 time 不可以运算
// ros::Time nn = now + before_now;//异常
rospy.loginfo("时间运算")
now = rospy.Time.now()
du1 = rospy.Duration(10)
du2 = rospy.Duration(20)
rospy.loginfo("当前时刻:%.2f",now.to_sec())
before_now = now - du1
after_now = now + du1
dd = du1 + du2
# now = now + now #非法
rospy.loginfo("之前时刻:%.2f",before_now.to_sec())
rospy.loginfo("之后时刻:%.2f",after_now.to_sec())
rospy.loginfo("持续时间相加:%.2f",dd.to_sec())
1.4.4 设置运行频率
ros::Rate rate(1);//指定频率
while (true)
{
ROS_INFO("-----------code----------");
rate.sleep();//休眠，休眠时间 = 1 / 频率。
}
# 设置执行频率
rate = rospy.Rate(0.5)
while not rospy.is_shutdown():
rate.sleep() #休眠
rospy.loginfo("+++++++++++++++")
1.4.5 定时器
ROS 中内置了专门的定时器，可以实现与 ros::Rate 类似的效果:
ros::NodeHandle nh;//必须创建句柄，否则时间没有初始化，导致后续API调用失败
// ROS 定时器
/**
* \brief 创建一个定时器，按照指定频率调用回调函数。
*
* \param period 时间间隔
* \param callback 回调函数
* \param oneshot 如果设置为 true,只执行一次回调函数，设置为 false,就循环执行。
* \param autostart 如果为true，返回已经启动的定时器,设置为 false，需要手动启动。
*/
//Timer createTimer(Duration period, const TimerCallback& callback, bool oneshot = false,
// bool autostart = true) const;
// ros::Timer timer = nh.createTimer(ros::Duration(0.5),doSomeThing);
ros::Timer timer = nh.createTimer(ros::Duration(0.5),doSomeThing,true);//只执行一次
// ros::Timer timer = nh.createTimer(ros::Duration(0.5),doSomeThing,false,false);//需要手动启动
// timer.start();
ros::spin(); //必须 spin
#定时器设置
"""
def __init__(self, period, callback, oneshot=False, reset=False):
Constructor.
@param period: 回调函数的时间间隔
@type period: rospy.Duration
@param callback: 回调函数
@type callback: function taking rospy.TimerEvent
@param oneshot: 设置为True，就只执行一次，否则循环执行
@type oneshot: bool
@param reset: if True, timer is reset when rostime moved backward. [default: False]
@type reset: bool
"""
rospy.Timer(rospy.Duration(1),doMsg)
# rospy.Timer(rospy.Duration(1),doMsg,True) # 只执行一次
rospy.spin()
定时器的回调函数:
void doSomeThing(const ros::TimerEvent &event){
ROS_INFO("-------------");
ROS_INFO("event:%s",std::to_string(event.current_real.toSec()).c_str());
}
def doMsg(event):
rospy.loginfo("+++++++++++")
rospy.loginfo("当前时刻:%s",str(event.current_real))
1.5 其他函数
在发布实现时，一般会循环发布消息，循环的判断条件一般由节点状态来控制，C++中可以通过 ros::ok() 来判断节点状态是否正常，而 python 中则通过 rospy.is_shutdown() 来实现判断，导致节点退出的原因主要有如下几种:
- 节点接收到了关闭信息，比如常用的 ctrl + c 快捷键就是关闭节点的信号；
- 同名节点启动，导致现有节点退出；
- 程序中的其他部分调用了节点关闭相关的API(C++中是ros::shutdown()，python中是rospy.signal_shutdown())
另外，日志相关的函数也是极其常用的，在ROS中日志被划分成如下级别:
- DEBUG(调试):只在调试时使用，此类消息不会输出到控制台；
- INFO(信息):标准消息，一般用于说明系统内正在执行的操作；
- WARN(警告):提醒一些异常情况，但程序仍然可以执行；
- ERROR(错误):提示错误信息，此类错误会影响程序运行；
- FATAL(严重错误):此类错误将阻止节点继续运行。
1.5.1 节点状态判断
/** \brief 检查节点是否已经退出
*
* ros::shutdown() 被调用且执行完毕后，该函数将会返回 false
*
* \return true 如果节点还健在, false 如果节点已经火化了。
*/
bool ok();
def is_shutdown():
"""
@return: True 如果节点已经被关闭
@rtype: bool
"""
1.5.2 节点关闭函数
/*
* 关闭节点
*/
void shutdown();
def signal_shutdown(reason):
"""
关闭节点
@param reason: 节点关闭的原因，是一个字符串
@type reason: str
"""
def on_shutdown(h):
"""
节点被关闭时调用的函数
@param h: 关闭时调用的回调函数，此函数无参
@type h: fn()
"""
1.5.3 日志函数
ROS_DEBUG("hello,DEBUG"); //不会输出
ROS_INFO("hello,INFO"); //默认白色字体
ROS_WARN("Hello,WARN"); //默认黄色字体
ROS_ERROR("hello,ERROR");//默认红色字体
ROS_FATAL("hello,FATAL");//默认红色字体
rospy.logdebug("hello,debug") #不会输出
rospy.loginfo("hello,info") #默认白色字体
rospy.logwarn("hello,warn") #默认黄色字体
rospy.logerr("hello,error") #默认红色字体
rospy.logfatal("hello,fatal") #默认红色字体
2 ROS中的头文件与源文件
本节主要介绍ROS的C++实现中，如何使用头文件与源文件的方式封装代码，具体内容如下:
- 设置头文件，可执行文件作为源文件；
- 分别设置头文件，源文件与可执行文件。
在ROS中关于头文件的使用，核心内容在于CMakeLists.txt文件的配置，不同的封装方式，配置上也有差异。
2.1 自定义头文件调用
需求:设计头文件，可执行文件本身作为源文件。
流程:
- 编写头文件；
- 编写可执行文件(同时也是源文件)；
- 编辑配置文件并执行。
2.1.1 头文件
在功能包下的 include/功能包名 目录下新建头文件: hello.h，示例内容如下:
#ifndef _HELLO_H
#define _HELLO_H
namespace hello_ns{
class HelloPub {
public:
void run();
};
}
#endif
注意:
在 VScode 中，为了后续包含头文件时不抛出异常，请配置 .vscode 下 c_cpp_properties.json 的 includepath属性
"/home/用户/工作空间/src/功能包/include/**"
2.1.2 可执行文件
在 src 目录下新建文件:hello.cpp，示例内容如下:
#include "ros/ros.h"
#include "test_head/hello.h"
namespace hello_ns {
void HelloPub::run(){
ROS_INFO("自定义头文件的使用....");
}
}
int main(int argc, char *argv[])
{
setlocale(LC_ALL,"");
ros::init(argc,argv,"test_head_node");
hello_ns::HelloPub helloPub;
helloPub.run();
return 0;
}
2.1.3 配置文件
配置CMakeLists.txt文件，头文件相关配置如下:
include_directories(
include
${catkin_INCLUDE_DIRS}
)
可执行配置文件配置方式与之前一致:
add_executable(hello src/hello.cpp)
add_dependencies(hello ${${PROJECT_NAME}_EXPORTED_TARGETS} ${catkin_EXPORTED_TARGETS})
target_link_libraries(hello
${catkin_LIBRARIES}
)
最后，编译并执行，控制台可以输出自定义的文本信息。
2.2 自定义源文件调用
需求:设计头文件与源文件，在可执行文件中包含头文件。
流程:
- 编写头文件；
- 编写源文件；
- 编写可执行文件；
- 编辑配置文件并执行。
2.2.1 头文件
头文件设置于 3.2.1 类似，在功能包下的 include/功能包名 目录下新建头文件: haha.h，示例内容如下:
#ifndef _HAHA_H
#define _HAHA_H
namespace hello_ns {
class My {
public:
void run();
};
}
#endif
注意:
在 VScode 中，为了后续包含头文件时不抛出异常，请配置 .vscode 下 c_cpp_properties.json 的 includepath属性
"/home/用户/工作空间/src/功能包/include/**"
2.2.2 源文件
在 src 目录下新建文件:haha.cpp，示例内容如下:
#include "test_head_src/haha.h"
#include "ros/ros.h"
namespace hello_ns{
void My::run(){
ROS_INFO("hello,head and src ...");
}
}
2.2.3 可执行文件
在 src 目录下新建文件: use_head.cpp，示例内容如下:
#include "ros/ros.h"
#include "test_head_src/haha.h"
int main(int argc, char *argv[])
{
ros::init(argc,argv,"hahah");
hello_ns::My my;
my.run();
return 0;
}
2.2.4 配置文件
头文件与源文件相关配置:
include_directories(
include
${catkin_INCLUDE_DIRS}
)
## 声明C++库
add_library(head
include/test_head_src/haha.h
src/haha.cpp
)
add_dependencies(head ${${PROJECT_NAME}_EXPORTED_TARGETS} ${catkin_EXPORTED_TARGETS})
target_link_libraries(head
${catkin_LIBRARIES}
)
可执行文件配置:
add_executable(use_head src/use_head.cpp)
add_dependencies(use_head ${${PROJECT_NAME}_EXPORTED_TARGETS} ${catkin_EXPORTED_TARGETS})
#此处需要添加之前设置的 head 库
target_link_libraries(use_head
head
${catkin_LIBRARIES}
)
3 Python模块导入
与C++类似的，在Python中导入其他模块时，也需要相关处理。
需求:首先新建一个Python文件A，再创建Python文件UseA，在UseA中导入A并调用A的实现。
实现:
- 新建两个Python文件，使用 import 实现导入关系；
- 添加可执行权限、编辑配置文件并执行UseA。
3.1 新建两个Python文件并使用import导入
文件A实现(包含一个变量):
#! /usr/bin/env python
num = 1000
文件B核心实现:
import os
import sys
path = os.path.abspath(".")
# 核心
sys.path.insert(0,path + "/src/plumbing_pub_sub/scripts")
import tools
....
....
rospy.loginfo("num = %d",tools.num)
一定要加path，因为rosrun的路径不是从当前目录找的。
3.2 添加可执行权限，编辑配置文件并执行
此过程略。