ROS2教程04 ROS2话题

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简介: 这篇文章是关于ROS2(Robot Operating System 2)的教程,主要介绍了ROS2中话题的概念、特性、使用方式,以及如何编写发布者和订阅者的代码。

ROS2话题

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学习目标

  • 熟悉ROS2的话题概念
  • 了解ROS2话题相关的命令行工具操作
  • 熟悉话题发布者与订阅者的代码编写
  • 熟悉话题通信的测试手段

难度级别

初级 中级 高级

预计耗时

40 mins

学习前提

对象 类型 状态
ROS2 Humble 软件 已安装
Ubuntu22.04操作系统 软件 已确认
Shell的基本使用 知识 已了解
ROS2 节点 知识 已了解

什么是话题

话题(Topic)是ROS 2中的一个关键概念,它在将复杂系统分解为模块化节点(Nodes)并在节点之间交换消息方面发挥着重要作用。
通过话题,节点能够实时共享信息,从而实现协同工作和分布式处理。消息在不同节点之间传递,这些消息可以包括传感器数据、控制指令、状态信息等,话题作为关键的通信桥梁,使它们能够高效地交换信息,以完成各自的任务。

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举例来说,假设公司办公室挂着一块与项目A相关的会议时间白板,上面记录着今天的会议时间。行政同事负责将会议时间写在白板上,而与项目A相关的同事则会查看这块白板,以获取会议信息。在这个场景中,行政同事扮演Publisher的角色,项目A相关的会议时间白板充当Topic,而具体的会议时间则是Message,与项目A相关的同事则是Subscriber。

将这个情景与机器人应用相类比,深度相机在这里充当了Publisher的角色。它会持续发布相机采集的图像数据,每一帧图像数据都会被发布到相机数据的特定话题中。这个话题充当了信息传递的通道,就像会议时间白板一样。与此同时,其他的ROS组件,比如视觉算法节点,充当Subscribers,因为它们会订阅相机数据的话题,并不断从话题中接收图像消息,以进行进一步的图像处理和分析。这个发布-订阅机制使得机器人系统的不同部件能够协同工作,从而实现更复杂的任务和功能。

话题的特性

  • 多对多通信
    话题支持多个节点同时订阅和发布。这意味着多个节点可以参与到同一个话题中,实现数据的共享和交流。通信模式可以是一对一、一对多、多对一、多对多,具体取决于节点之间的关系和需求。
    话题的工作方式类似于一个公共讨论话题,多个节点可以自由加入或退出该话题,以便在系统中传递数据。这种模块化的通信方式有助于提高系统的灵活性和可扩展性,使不同部分的节点能够独立开发和测试。

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  • 单向传递
    话题的通信是单向的,信息从发布者流向订阅者。这意味着发布者负责将消息发送到话题,而订阅者负责接收和处理消息,实现单向的数据传递,接收者无法对接收到的信息做出反馈并返还给发布者。

话题的使用

观察话题的简单方法

你可以使用rqt图工具来可视化观察ROS2系统中的话题。

# Open rqt graph tool
rqt_graph

在这里插入图片描述

这个图示中展示了ROS2系统中的节点如何通过话题进行通信的示例。具体来说:

  • /teleop_turtle节点发布键盘的速度数据到话题/turtle1/cmd_vel
  • /turtlesim节点订阅话题/turtle1/cmd_vel以接收键盘的速度数据。

通过这个图示,你可以清晰地看到/turtlesim节点和/teleop_turtle节点之间是如何通过话题进行数据交换的。这个通信模型遵循ROS2中的发布-订阅模型,使不同节点能够轻松地交换信息。

话题命令工具的使用

查看话题列表

ros2 topic list命令用于输出当前ROS 2系统中存在的话题(Topic)列表。这些话题是用于在ROS 2中进行通信和数据传输的通道。以下是使用ros2 topic list命令的示例:

ros2 topic list

在这里插入图片描述
输出结果将显示当前存在的话题,通常以斜杠(/)开头,表示话题的命名空间。每个话题的名称旁边还会显示话题的消息类型。这有助于了解话题正在传输的数据的类型。

查看话题消息类型

如果需要查看话题列表中每个话题的消息类型,可以使用ros2 topic list -t命令。这将同时输出话题列表和各个话题的消息类型(Message Type)。以下是使用ros2 topic list -t命令的示例:

ros2 topic list -t

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输出结果将列出话题的名称,然后在方括号内指定该话题的消息类型,以帮助用户了解话题传输的数据类型。

如果需要查看单个话题的消息类型,可以使用:

ros2 topic type /turtle1/cmd_vel

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查看话题数据内容

如果想查看话题列表中特定话题发布的数据,可以使用ros2 topic echo命令,后跟所需话题的名称。此命令将显示来自该话题的消息数据,如果没有数据可供查看,它将保持打开状态,等待数据出现。

ros2 topic echo /turtle1/cmd_vel

在这里插入图片描述
输出结果将显示来自该话题的消息数据。在示例输出中,消息是使用YAML格式表示的,显示了线性和角速度等信息。

在命令行中发布话题

ros2 topic pub命令能在终端中直接发布消息到指定话题,这对于需要在命令行中轻松进行调试的情况非常有用。下面是ros2 topic pub的基本用法:

ros2 topic pub <topic_name> <msg_type> '<args>'
  • 单次发布
    通过使用–once参数,可以使发布仅执行一次,然后退出。消息内容通常以YAML语法格式提供,这可能在命令行中看起来比较复杂。以下是一个示例:
ros2 topic pub --once /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/msg/Twist "{linear: {x: 2.0, y: 0.0, z: 0.0}, angular: {x: 0.0, y: 0.0, z: 1.8}}"

在这里插入图片描述

  • 循环发布
    通过在ros2 topic pub命令后添加–rate参数,可以指定消息发布的频率。例如,–rate 1表示发布消息以1Hz的频率。以下是一个示例:
ros2 topic pub --rate 1 /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/msg/Twist "{linear: {x: 2.0, y: 0.0, z: 0.0}, angular: {x: 0.0, y: 0.0, z: 1.8}}"

在这里插入图片描述

查看话题自身的详细信息

ros2 topic info命令用于查看指定话题的类型以及发布和订阅该话题的节点数。下面是ros2 topic info的基本用法:

ros2 topic info /turtle1/cmd_vel

在这里插入图片描述

如果需要获取更详细的信息,可以启用-verbose

ros2 topic info /turtle1/cmd_vel -v
# ros2 topic info /turtle1/cmd_vel -verbose

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查看话题发布频率

使用以下命令可以查看指定话题发布的平均频率(Hz):

ros2 topic hz /turtle1/cmd_vel

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查看话题带宽占用

通过以下命令,你可以查看指定话题占用的带宽信息:

ros2 topic bw /turtle1/cmd_vel

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通过消息类型反查该类型的话题

通过以下命令,你可以根据消息类型查找与该类型相关的话题:

ros2 topic find geometry_msgs/msg/Twist

在这里插入图片描述

查看话题延迟

使用这个命令来查看特定话题中消息时间戳的延迟,以了解消息何时被发布和接收。
很少使用,通常在调试时被使用,此处不涉及。

查看话题消息类型的具体结构

要查看特定话题消息类型的详细结构,可以使用以下命令:

ros2 interface show geometry_msgs/msg/Twist

该命令将显示关于消息类型"geometry_msgs/msg/Twist"的详细信息,包括其字段和子字段的结构。这个消息类型通常用于描述机器人的运动命令,其中包括线性和角速度信息。
具体而言,该消息类型包含两部分:线性速度(linear)和角速度(angular)。每个部分都有三个子字段,分别是 x、y 和 z,它们分别表示在三个坐标轴上的分量。

在这里插入图片描述

话题的代码编写

发布者Publisher

1.新建功能包

首先,我们需要在ROS 2的工作空间内创建一个新的功能包,用于存放我们的发布者节点。可以按照以下步骤执行:

# Go to your src
cd ~/ros2_workspace/src
# Create package
ros2 pkg create --build-type ament_python ros2_learning

2.新建源码文件

在名为ros2_learning的功能包中,我们需要创建一个新的源码文件,用于编写发布者节点的代码。可以按照以下步骤执行:

# Go to package
cd ros2_learning/ros2_learning/
# Create file
touch topic_demo_publisher.py

3.编写源码

topic_demo_publisher.py文件中,我们需要编写发布者节点的源码。
在ROS 2中,可以使用ROS2已提供的消息接口来定义消息类型,以便与其他节点通信,通常是标准的通信接口。
首先,你可以查看ROS2中已定义的消息接口列表,以了解可用的消息类型:

ros2 interface list

在这里插入图片描述

然后,你可以查看特定消息类型的结构,例如之后会用到的std_msgs/msg/String消息类型:

ros2 interface show std_msgs/msg/String

在这里插入图片描述

发布者编写步骤如下:

  1. 初始化编程接口。
  2. 创建节点并初始化。
  3. 创建发布者对象。
  4. 创建话题并填充话题消息。
  5. 发布话题消息。
  6. 销毁节点并关闭接口。

以下是发布者示例的源代码:

import rclpy  # rclpy是ROS Client Library for Python的缩写,与ROS有关的内容在这个库中
from rclpy.node import Node
from std_msgs.msg import String  # std_msgs是ROS内置的数据类型库,里面有msg、srv等一系列基础的数据类型


class TopicDemoPublisher(Node):  # Node为这个类的父类
    def __init__(self):
        super().__init__("topic_demo_publisher")  # 调用父类中Node的构造函数,并为其命名
        # 创建发布者,数据类型为String,话题名为topic_name,队列长度为10,它是QoS (quality of service) setting之一
        self.example_publisher = self.create_publisher(
            String, "topic_name", 10
        )  # 创建发布者对象
        timer_period = 0.5  # 定时器周期 in seconds
        self.timer = self.create_timer(
            timer_period, self.timer_callback
        )  # 创建定时器,每个周期调用一次回调函数self.timer_callback
        self.i = 0  # 用于回调函数的一个计数器

    def timer_callback(self):  # 定时器的回调函数
        msg = String()  # 定义消息类型为String类
        msg.data = "Hello World: %d" % self.i  # 添加消息内容
        self.example_publisher.publish(msg)  # 发布消息
        self.get_logger().info('Publishing: "%s"' % msg.data)  # 打印日志到控制台console
        self.i += 1


def main(args=None):
    rclpy.init(args=args)  # 初始化 rclpy编程接口
    test_topic_demo_publisher = TopicDemoPublisher()  # 实例化TopicDemoPublisher类
    rclpy.spin(test_topic_demo_publisher)  # 循环
    # 显式销毁节点
    # (可选 - 否则在垃圾回收器销毁节点对象时会自动执行)
    test_topic_demo_publisher.destroy_node()  # 可以不写,会自动执行
    rclpy.shutdown()  # 关闭


if __name__ == "__main__":
    main()

这段代码演示了如何创建一个ROS 2发布者(Publisher)节点,以发布字符串消息到名为"topic_name"的ROS话题。在此过程中,还包括了初始化ROS 2接口、创建节点、创建发布者对象、发布消息、以及关闭节点的过程。

4.添加依赖

在功能包目录下,打开package.xml文件,以确保功能包的依赖正确配置。
依赖声明对于确保功能包在运行时具有所需的组件和库非常重要。以下是一个示例:

<description>Examples of minimal publisher/subscriber using rclpy</description>
<maintainer email="hermanye233@icloud.com">Herman Ye</maintainer>
<license>Apache License 2.0</license>

接下来,必须明确声明功能包的依赖项。这些声明会告诉ROS 2,当功能包的代码被执行时,需要哪些其他功能包来提供支持。在<depend>标签中添加以下内容:

<exec_depend>rclpy</exec_depend>
<exec_depend>std_msgs</exec_depend>

在这里插入图片描述

5.添加入口点

打开功能包的setup.py文件,以添加入口点,这将定义功能包中的可执行命令。入口点对于在ROS 2中运行功能包的节点非常重要。以下是一个示例:

maintainer='Herman Ye',
maintainer_email='hermanye233@icloud.com',
description='Examples of minimal publisher/subscriber using rclpy',
license='Apache License 2.0',

然后,在 entry_points 部分添加以下命令,这将告诉ROS 2 如何运行节点:

'talker = ros2_learning.topic_demo_publisher:main',

这一行代码中,‘talker’ 是要分配给节点的名称,而 ‘ros2_learning.topic_demo_publisher:main’ 是节点的入口点。

在这里插入图片描述

6.检查setup.cfg

确保检查setup.cfg文件,它是自动生成的,并定义了可执行文件的位置,以便ROS 2能够正确查找和运行这些文件。以下是一个示例:

[develop]
script_dir=$base/lib/ros2_learning
[install]
install_scripts=$base/lib/ros2_learning

订阅者 subscriber

1.新建源码文件

首先,在功能包的src文件夹下新建一个名为 topic_demo_subscriber.py 的源码文件,可以使用以下命令:

touch topic_demo_subscriber.py

2.编写源码

  • 订阅者编写步骤
    1.编程接口初始化
    2.创建节点并初始化
    3.创建订阅者对象
    4.通过回调函数处理话题数据
    5.销毁节点、关闭接口

下面是一个订阅者的示例源码:

import rclpy
from rclpy.node import Node
from std_msgs.msg import String


class TopicDemoSubscriber(Node):
    def __init__(self):
        super().__init__("topic_demo_subscriber")
        # 订阅者的构造函数和回调函数不需要定时器Timer,因为当收到Message时将启动回调函数
        # 注意此处不是subscriber,而是subscription
        # 数据类型,话题名,回调函数,队列长度
        self.subscription = self.create_subscription(
            String, "topic_name", self.subscriber_callback, 10
        )
        self.subscription  # 防止代码中该变量未使用的警告

    def subscriber_callback(self, msg):
        self.get_logger().info('I heard: "%s"' % msg.data)  # 回调函数内容为打印msg.data里的内容


def main(args=None):
    rclpy.init(args=args)  # 初始化rclpy
    topic_demo_subscriber = TopicDemoSubscriber()  # 创建订阅者实例
    rclpy.spin(topic_demo_subscriber)  # 循环
    topic_demo_subscriber.destroy_node()  # 销毁节点
    rclpy.shutdown()  # 关闭rclpy


if __name__ == "__main__":
    main()

3.添加依赖

之前已经添加过依赖项,那么不需要再次添加它们。
然而,如果订阅者(subscriber)需要使用额外的库,则需要添加这些新的库以满足其要求。

4.添加入口点

在这一步,我们将配置项目的入口点,以便运行项目的不同组件。我们将修改setup.py文件,以添加所需的入口点。

打开setup.py文件,并定位到entry_points部分,然后添加以下命令:

'listener = ros2_learning.topic_demo_subscriber:main',

ros2 run 在功能包中所能观测到的可执行文件的名字即此处设置的talker与listener

5.编译工作空间

在最后,编译工作空间,相关命令在之后的课程里会讲解,此处不涉及。

# Go to your workspace
cd ~/ros2_workspace
# Build workspace
colcon build --symlink-install

测试话题通信

ros2 run ros2_learning listener

在这里插入图片描述

ros2 run ros2_learning talker

在这里插入图片描述

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