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话题通信机制

话题通信的实现依赖于三个角色的设立：

  1. 订阅者（Subscriber）
  2. 发布者（Publisher）
  3. 管理者（Master）

简单来说，Master负责保管发布者和订阅者注册的信息，帮助匹配话题相同的发布者和订阅者，实现话题通信。

这样的连接建立之后，发布者可以发布消息，且发布的消息会被订阅者订阅。

2.1 话题通信的概念​

2.1.1 发布者的注册​

发布者启动之后，会通过RPC在Masterzhub注册自己，同时会注册自己发布的话题（名称）。Master会将节点的注册信息加入注册表。

2.1.2 订阅者的注册​

订阅者启动之后，也会通过RPC在Masterzhub注册自己，同时会注册自己订阅的话题（名称）。Master会将节点的注册信息加入注册表。

2.1.3 Master实现匹配​

Master会定时扫描注册表，将注册表内的节点信息进行匹配（并通过RPC向订阅者发送发布者的RPC地址），将匹配成功的节点信息加入匹配表。

2.1.4 Subscriber向Pubilsher发送连接请求​

订阅者根据接受的RPC地址，通过RPC向发布者发布连接请求（订阅的话题名称、消息类型以及通信协议）。

通信协议有TCP和UDP两种。

2.1.5 Publisher确认请求​

Publisher收到请求，通过RPC返回一个信息确认，发送自己的地址信息。

2.1.6 连接建立​

Subscriber根据上一步返回的消息，拿到确认了拿到地址了，这样就可以建立连接了。

2.1.7 发送消息​

连接建立后，由发布者发送消息，订阅者收到消息。

我感觉这个协议很像TCP的那套握手挥手，事实上前五步都是在使用RPC协议，最后两步使用了TCP协议。

需要注意的是发布者和订阅者之间没有“先有鸡后有蛋”的讲究，也就是不考虑启动顺序；发布者和订阅者都可以有多个；连接建立之后，Master就不再重要（做了个媒），关闭Master也可以照常通信。

2.2 C++实现话题通信​

ROS master不需要实现了，而且连接的建立也已经被封装了。所以现在回想ROS的话题通信，还剩下发布方和接收方，以及流通的“货币”————数据。

实现流程一般是如下框架：

  1. 编写发布方实现
  2. 编写接收方实现
  3. 编辑配置文件
  4. 编译运行

2.2.1 发布方Talker​

# include "ros/ros.h"
# include "std_msgs/String.h"
# include <sstream> //读取字符串并且处理

int main(int argc, char **argv[])
{
    setlocale(LC_ALL, ""); // 设置中文编码
    ros::init(argc, argv, "talker"); //初始化talker节点
    ros::NodeHandle nh; //创建节点句柄
    ros::Publisher chatter_pub = nh.advertise<std_msgs::String>("chatter", 1000); //创建发布者
    
    std_msgs::String msg;// 动态组织数据
    std::string msg_front = "Hello 你好！";
    int count = 0; // 消息计数器
    
    ros::Rate r(10); //设置循环频率


    while (ros::ok())
    {
        std::stringstream ss;
        ss << msg_front << count;
        msg.data = ss.str(); //将数据组织成字符串
        
        chatter_pub.publish(msg); //发布消息
        ROS_INFO("%s", msg.data.c_str()); //打印消息
        r.sleep(); //循环频率
        count++; //消息计数器

        ros::spinOnce(); //处理回调函数
   }
}

2.2.2 接收方Listener​

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

void chatterCallback(const std_msgs::String::ConstPtr& msg)
{
    ROS_INFO("我听见你说: [%s]", msg->data.c_str()); // 输出接收到的消息
}

int main(int argc, char **argv)
{
    setlocale(LC_ALL, ""); // 设置中文编码
    ros::init(argc, argv, "listener"); //初始化listener节点(命名唯一)
    ros::NodeHandle nh;// 实例化ROS句柄
    // 创建订阅者
    ros::Subscriber sub = nh.subscribe<std_msgs::String>("chatter",10,doMsg);
    // 处理订阅的消息（回调函数）
    ros::spin();
    return 0;
}
"

2.2.3 配置CMakeLists.txt​

add_executable(talker src/talker.cpp) // 编译talker
add_executable(listener src/listener.cpp) // 编译listener

target_link_libraries(Hello_pub
  ${catkin_LIBRARIES}
) // 链接库
target_link_libraries(Hello_sub
  ${catkin_LIBRARIES}
) // 链接库

2.2.4 执行​

  1. 启动roscore
  2. 启动talker
  3. 启动listener

2.3 话题通信自定义msg​

在ROS通信协议中，还需要注意msg（数据），ROS通过std_msgs封装了一些原生的数据类型，比如：String、Int32、Int64、Char、Bool、Empty...

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，std_msgs本身提供的描述性就有点弱，这时，需要自定义消息类型。

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：

  • int8, int16, int32, int64(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这个标头包含时间戳和ROS中常用的坐标帧信息.

需求：创建自定义消息，该消息包含人的信息：姓名、身高、年龄等。

流程：

  1. 按照固定格式创建msg文件
  2. 编辑配置文件
  3. 编译运行（中间文件）

2.3.1 创建msg文件​

功能包下新建msg目录，添加文件Person.msg

string name
uint16 age
float64 height

2.3.2 编辑配置文件​

package.xml中添加编译依赖与执行依赖

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

CMakeLists.txt编辑 msg 相关配置

find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS
  roscpp
  rospy
  std_msgs
  message_generation
)
// 配置 msg 源文件
add_message_files(
  FILES
  Person.msg
)
// 生成消息时依赖于 std_msgs
generate_messages(
  DEPENDENCIES
  std_msgs
)
// 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
)

2.3.4 编译运行​

编译后的中间文件查看:

C++需要调用的中间文件(.../工作空间/devel/include/PACKAGE_NAME/MSG_NAME.h)

Python 需要调用的中间文件(.../工作空间/devel/lib/python3/dist-packages/包名/msg)

后续调用相关msg，从这些中间文件调用。

2.4 话题通信自定义msg调用（C++）​

注意

需求： 编写发布订阅实现，要求发布方以10Hz的频率发布自定义消息，订阅方订阅自定义消息并将消息内容打印输出。

提示

回顾三要素：发布方，接收方，数据 回顾实现流程：

  1. 编写发布方实现
  2. 编写接收方实现
  3. 编辑配置文件
  4. 编译运行

2.4.1 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：

{
    "configurations": [
    {
        "browse":{
            "databaseFilename": "",
            "limitSymbolsToIncludedHeaders": true,
        }
        "includePath": [
            "/opt/ros/noetic/include/**"，
            "/usr/include/**"
            "/xxx/yy工作空间/devel/include/**"//配置head文件
            "name":ROS,
            "intelliSenseMode": "gcc-x64",
            "compilerPath": "/usr/bin/gcc",
            "cStandard": "c11",
            "cppStandard": "c++17"
        ]
    }    
    ],
    "version": 4
}

2.4.2 编写发布方实现​

#include "ros/ros.h"
#include "demo02_talker_listener/Person.h"

int main(int argc, char **argv)
{
    setlocale(LC_ALL, ""); // 设置中文编码
    ros::init(argc, argv, "talker"); //初始化talker节点(命名唯一)
    ros::NodeHandle nh;// 实例化ROS句柄
    // 创建发布者对象
    // advertise<数据类型>("话题名称",队列长度)
    ros::Publisher pub = nh.advertise<demo02_talker_listener::Person>("chatter_person",1000);
    demo02_talker_listener::Person p;
    p.name = "八戒";
    p.age = 800;
    p.height = 5.5;

    ros::Rate r(1);
    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;
}

2.4.3 编写接收方实现​

#include "ros/ros.h"
#include "demo02_talker_listener/Person.h"

void doMsg(const demo02_talker_listener::Person::ConstPtr &msg)
{
    ROS_INFO("我:%s,今年%d岁,%.2f米", msg->name.c_str(), msg->age, msg->height);
}

int main(int argc, char **argv)
{
    setlocale(LC_ALL, "");
    // 初始化节点
    ros::init(argc, argv, "listener");
    // 创建句柄
    ros::NodeHandle nh;
    // 创建一个Listener的对象
    ros::Subscriber sub = nh.subscribe<demo02_talker_listener::Person>("chatter_person", 1000, doMsg);
    ros::spin();
    return 0;
}

2.4.4 配置CMakeLists.txt​

需要添加add_dependencies用以设置所依赖的消息相关的中间文件。

add_executable(person_talker src/person_talker.cpp)
add_executable(person_listener src/person_listener.cpp)

add_dependencies(person_talker ${catkin_EXPORTED_TARGETS})
add_dependencies(person_listener ${catkin_EXPORTED_TARGETS})

target_link_libraries(person_talker ${catkin_LIBRARIES})
target_link_libraries(person_listener ${catkin_LIBRARIES})

2.4.5 编译运行​

  1. 启动roscore
  2. 启动发布节点
  3. 启动订阅节点

2.5 服务通信理论模型​

ROS Master 负责保管 Server 和 Client 注册的信息，并匹配话题相同的 Server 与 Client ，帮助 Server 与 Client 建立连接，连接建立后，Client 发送请求信息，Server 返回响应信息。

2.5.1 Server注册​

Server启动之后，通过RPC在ROS Master中注册自身信息，其中包含提供的服务的名称，ROS Master会将节点的注册信息加入到注册表中。

2.5.2 Client注册​

Client启动后，也会通过RPC在ROS Master中注册自身信息，其中包含请求的服务的名称，ROS Master会将节点的注册信息加入到注册表中。

2.5.3 ROS Master匹配​

ROS Master根据注册表中的信息匹配Server和Client，并通过RPC向Client发送Server的TCP地址信息。

2.5.4 Client发送请求​

Client根据信息匹配使用TCP与Server建立网络连接，并发送请求数据。

2.5.5 Server发送响应​

Server接收、解析请求的数据，把响应结果返回给Client。

2.6 服务通信自定义srv​

srv文件内的可用数据类型与msg文件一致，且定义srv实现流程与自定义msg实现流程类似，

2.6.1 定义srv文件​

srv文件内的可用数据类型与msg文件一致，且定义srv实现流程与自定义msg实现流程类似：

功能包下新建srv目录，添加文件xxx.srv：

int32 a;
int32 b;

int32 sum;# 服务响应数据

2.6.2 编辑配置文件​

package.xml中添加编译依赖与执行依赖

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

CMakeLists.txt中添加编译依赖与执行依赖

find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS
    message_generation
    roscpp
    rospy
    std_msgs
)
# 必须有std_msgs，否则编译会报错
add_service_files(
    FILES
    AddInts.srv
)

2.6.3 编译​

编译之后的中间文件： c++: xxx.h python: srv

2.7 服务通信自定义srv调用(C++)​

2.7.1 vscode配置​

{
    "configurations": [
        {
            "browse": {
                "databaseFilename": "",
                "limitSymbolsToIncludedHeaders": true
            },
            "includePath": [
                "/opt/ros/noetic/include/**",
                "/usr/include/**",
                "/xxx/yyy工作空间/devel/include/**" //配置 head 文件的路径 
            ],
            "name": "ROS",
            "intelliSenseMode": "gcc-x64",
            "compilerPath": "/usr/bin/gcc",
            "cStandard": "c11",
            "cppStandard": "c++17"
        }
    ],
    "version": 4
}

2.7.2 服务端​

#include "ros/ros.h"
#include "demo03_server_client/AddInts.h"

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