ROS学习笔记2：话题通信

前言

本人ROS小白，利用寒假时间学习ROS，在此以笔记的方式记录自己每天的学习过程。争取写满20篇(2/20)。
环境：Ubuntu20.04、ROS1：noetic
环境配置：严格按照下方学习链接的教程配置，基本一次成功。
学习链接：【Autolabor初级教程】ROS机器人入门
对应链接文档：ROS机器人入门课程《ROS理论与实践》
笔记绝大部分代码使用Python语言编写。
本期关键词：理论模型，发布，订阅，自定义msg

话题通信理论模型

1. 理论模型主要分为三个部分：
   • ROS Master（管理者）
   • Talker（发布者，对应publish）
   • Listener（订阅者，对应subscribe）
2. 形象了解话题通信：ROS的主要通讯方式：Topic话题与Message消息
3. 涉及到7个步骤：
   • 第0步：Talker向Master注册
   • 第1步：Listener向Master注册
   • 第2步：Master向Listener发送匹配信息
   • 第3步：Listener向Talker发送请求
   • 第4步：Talker确认请求（以上均是RPC协议）
   • 第5步：Listener与Talker件里连接（以下均是TCP协议）
   • 第6步：Talker向Listener发送消息
4. 以上步骤了解即可，编程时基本不会用到，我们需要关注的主要是以下三个内容：
   • 发布者
   • 订阅者
   • 消息载体

自定义消息类型

这里先简要概述话题通信自定义msg的内容，接下来的“发布者实现“和“订阅者实现”会结合代码来演示如何使用自定义消息类型msg。

1. ROS中有原装的数据类型，在std_msgs依赖包里，例如String、Int32、Char等（该依赖包里的数据类型首字母就是大写的）。
2. 在某些情况下，std_msgs包里的数据类型是不能满足我们的要求的，ROS允许用户自定义数据类型，来满足用户特定场景下的需求。
3. 自定义消息类型的创建方式：
   1. 在功能包下新建msg目录，添加Person.msg文件，名字是自定义的，你也可以叫Man.msg。（msg文件名称的首字母最好大写。）
   2. 编辑.msg文件内容，很简单，根据需求来添加就行，数据类型就是string、int16、float64这些。注意：不要直接int、float、char这几个C语言的数据类型，msg文件和这些还是有些区别的，下面列举一些msg文件允许的字段类型：
      • int8, int16, int32, int64 (或者无符号类型: uint16、uint32等)
      • float32, float64
      • string
      • time, duration
      • Header
   3. 编辑配置文件，这一步包含的步骤较多，比较繁琐：

package.xml文件修改：
	在原来文件的基础上添加两行，即
	message_generation
	和message_runtime
	整体如下：roscpp等包是原来添加依赖库时自动创建的
	catkin
	roscpp
	rospy
	std_msgs
	message_generation
	roscpp
	rospy
	std_msgs
	roscpp
	rospy
	std_msgs
	message_runtime

CMakeLists.txt文件修改
	第一部分：
	find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS
	roscpp
	rospy
	std_msgs
	message_generation
	)
	第二部分：
	add_message_files(
	FILES
	Person.msg
	)
	第三部分：这个不用添加东西，直接取消注释就行
	enerate_messages(
	DEPENDENCIES
	std_msgs
	)
	第四部分：只用取消一行的注释
	catkin_package(
	#  INCLUDE_DIRS include
	#  LIBRARIES helloworld
	CATKIN_DEPENDS roscpp rospy std_msgs message_runtime
	#  DEPENDS system_lib
	)

4. 配置好以上，用catkin_make指令编译一下，没有报错就问题不大。
5. 在devel/lib/python3/msg/目录下能找到_Person.py文件，则表示msg文件配置成功。（记住这个路径的文件，待会会用到。）
6. 接下来，在_Person.py所在目录下打开终端，执行pwd指令查看当前目录路径，选中/home/用户名/工作空间/devel/lib/python3/dist-packages部分，添加到settings.json文件中，如下所示。这一步的目的是方便接下来的代码编写（会自动补齐内容），不添加也不会影响编译运行。

{
    "python.autoComplete.extraPaths": [
        "/opt/ros/noetic/lib/python3/dist-packages",
        "/home/用户名/工作空间/devel/lib/python3/dist-packages"
    ],
    "python.analysis.extraPaths": [
        "/opt/ros/noetic/lib/python3/dist-packages",
        "/home/用户名/工作空间/devel/lib/python3/dist-packages"
    ]
}

小tips

我们在执行代码的过程中，会经常用到source ./devel/setup.bash指令，虽然指令并不复杂，但是每新开一次终端都得输入一次，效率还是蛮低的。除此之外，使用Python编写代码，我们需要对新建的Python文件进行权限修改操作：chmod +x *.py，这条指令也不复杂，但是输入多了效率也挺低的。

为了解决以上问题，我修改主目录下的.bashrc文件，在其末尾添加以下内容：

alias g-path='source ./devel/setup.bash'
alias get-x='chmod +x *.py'

（添加完之后要执行source .bashrc指令让其生效）
添加之后，以后要输入source ./devel/setup.bash指令就可以用g-path代替，同理，chmod +x *.py可以用get-x代替。

发布者实现

基本消息类型

1. 在ROS功能包下的scripts目录下新建Python文件：demo_pub.py。
2. 代码内容如下：

#! /usr/bin/env python

import rospy
from std_msgs.msg import String

if __name__ == "__main__":
    rospy.init_node("talker_pub")
    pub = rospy.Publisher("chat",String,queue_size=10)
    msg=String()
    cont="hello! How are you? "
    count=0
    rate=rospy.Rate(1)
    rospy.sleep(3.0)
     
    while not rospy.is_shutdown():
        msg.data=cont+str(count)
        pub.publish(msg)
        rate.sleep()
        rospy.loginfo("output data is: %s",msg.data)
        count+=1

3. 修改CMakeLists.txt文件，将新创建的Python文件路径添加到catkin_install_python内容下：（由于CMakeLists.txt文件的修改方法比较简单，之后的文章可能不会提及。）

catkin_install_python(PROGRAMS
  scripts/hello_p.py # 这是之前添加的
  scripts/demo_pub.py
  DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_BIN_DESTINATION}
)

4. 编译后执行即可。

自定义消息类型

1. 创建并编写Person.msg文件，配置方法参考上文。

string name
int16 age
float64 height

2. 创建Python文件，代码如下：

#! /usr/bin/env python

import rospy
from helloworld.msg import Person

if __name__ == "__main__":
    rospy.init_node("pub_msg")
    pub = rospy.Publisher("msg_test",Person,queue_size=10)
    p=Person()
    p.name="Zhang San"
    p.age=18
    p.height=1.78
    
    rate=rospy.Rate(1)
    while not rospy.is_shutdown():
        pub.publish(p)
        rate.sleep()
        rospy.loginfo("name is: %s, age is: %d, height is: %f", p.name,p.age,p.height)

3. 修改CMakeLists.txt文件后，编译执行即可

订阅者实现

基本消息类型

代码如下：

#! /usr/bin/env python

import rospy
from std_msgs.msg import String

def doMsg(msg):
    rospy.loginfo("listener get: %s",msg.data)

if __name__=="__main__":
    rospy.init_node("listener_sub")
    sub = rospy.Subscriber("chat",String,doMsg,queue_size=10)
    rospy.spin()

自定义消息类型

代码如下：（msg文件已经创建编译，直接用就行）

#! /usr/bin/env python

import rospy
from helloworld.msg import Person

def doMsg(p):
    rospy.loginfo("I get: name is: %s, age is: %d, height is: %2f",p.name,p.age,p.height)
    
if __name__=="__main__":
    rospy.init_node("sub_msg")
    sub = rospy.Subscriber("msg_test",Person,doMsg,queue_size=10)
    rospy.spin()

注意事项

1. 订阅方订阅的话题必须与发布方发布的话题一致，否则无法接收消息。rospy.Subscriber或rospy.Publisher的第一个参数就是话题名。
2. 发布方名称和订阅方名称不能一致，否则无法同时执行。rospy.init_node()指定的就是发布方或订阅方。
3. rospy.spin()的作用：让ROS节点保持运行状态，以便能够处理消息和回调。如果不调用 rospy.spin()，你的程序可能会在执行完所有初始化代码后立即退出，这样回调函数就无法被触发。

往期内容

1. ROS学习笔记1：基础知识