文章目录
- 一、话题通信基础知识
- 二、话题通信基本操作
- 2-1 C++
- 2-2 Python
- 2-3 C++与python节点通信
- 三、自定义msg
- 3-1 自定义msg
- 3-2 C++实现自定义msg调用
- 3-3 Python实现自定义msg调用
一、话题通信基础知识
话题通信实现模型是比较复杂的,该模型如下图所示,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:
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。也即,即便关闭ROS Master,Talker 与 Listern 照常通信。
理解图:
二、话题通信基本操作
2-1 C++
需求:
编写发布订阅实现,要求发布方以10HZ(每秒10次)的频率发布文本消息,订阅方订阅消息并将消息内容打印输出。
分析:
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,需要关注的关键点有三个:
- 发布方
- 接收方
- 数据(此处为普通文本)
流程:
- 编写发布方实现;
- 编写订阅方实现;
- 编辑配置文件;
- 编译并执行。
1.发布方
/*
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 <sstream>//连接文本和数字的头文件
int main(int argc, char *argv[])
{
//设置编码
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;
// msg.data = "你好啊!!!";
std::string msg_front = "Hello 你好!"; //消息前缀
int count = 0; //消息计数器
//逻辑(一秒10次)
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:%s",msg.data.c_str());
//%s对应c风格,即以"\0"结尾。
//根据前面制定的发送贫频率自动休眠 休眠时间 = 1/频率;
r.sleep();
count++;//循环结束前,让 count 自增
//暂无应用
ros::spinOnce();
}
return 0;
}
2.订阅方
/*
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"
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
ros::Subscriber sub = nh.subscribe<std_msgs::String>("chatter",10,doMsg);
//5.处理订阅的消息(回调函数)
// 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;
}
3.配置 CMakeLists.txt
add_executable(Hello_pub
src/Hello_pub.cpp
)
add_executable(Hello_sub
src/Hello_sub.cpp
)
target_link_libraries(Hello_pub
${catkin_LIBRARIES}
)
target_link_libraries(Hello_sub
${catkin_LIBRARIES}
)
编写完成后,"ctrl+shift+B"编译。
4.执行
1.启动 roscore;
打开一个终端,启动roscore
roscore
2.启动发布节点;
再打开一个终端
cd test03_ws/
source ./devel/setup.bash
rosrun plumbing_pub_sub demo01_pub
3.启动订阅节点。
cd test03_ws/
source ./devel/setup.bash
rosrun plumbing_pub_sub demo02_sub
5.注意
-
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 出现重复,删除内容少的即可
参考资料:https://answers.ros.org/question/237494/fatal-error-rosrosh-no-such-file-or-directory/
-
补充2:
find_package 不添加一些包,也可以运行啊, ros.wiki 答案如下
You may notice that sometimes your project builds fine even if you did not call find_package with all dependencies. This is because catkin combines all your projects into one, so if an earlier project calls find_package, yours is configured with the same values. But forgetting the call means your project can easily break when built in isolation.
-
补充3:
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
PS:可以使用 rqt_graph 查看节点关系。
自己运行过程中出现的问题:
{\color{red}自己运行过程中出现的问题:}
自己运行过程中出现的问题:
1.发布方正常,订阅方未接收到消息,如图所示:
经检查,发现自己的订阅设置有问题
应为
ros::Subscriber sub=nh.subscribe<std_msgs::String>("fang",10,doMsg);
其他部分也有问题:
2.运行ros节点时报错terminate called after throwing an instance of ‘ros::InvalidNameException’
what(): Character [ ] at element [2] is not valid in Graph Resource Name [my control]. Valid characters are a-z, A-Z, 0-9, / and _.
已放弃 (核心已转储)
一般是因为节点的cpp文件代码或文件名中包含空格或其他所谓的非法字符导致的,删去或替换成下划线即可
2-2 Python
需求:
编写发布订阅实现,要求发布方以10HZ(每秒10次)的频率发布文本消息,订阅方订阅消息并将消息内容打印输出。
分析:
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,需要关注的关键点有三个:
- 发布方
- 接收方
- 数据(此处为普通文本)
流程:
- 编写发布方实现;
- 编写订阅方实现;
- 为python文件添加可执行权限;
- 编辑配置文件;
- 编译并执行。
1.发布方
#! /usr/bin/env python
"""
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.导包
2.初始化 ROS 节点:命名(唯一)
3.实例化 发布者 对象
4.组织被发布的数据,并编写逻辑发布数据
"""
#1.导包
import rospy
from std_msgs.msg import String
if __name__ == "__main__":
#2.初始化 ROS 节点:命名(唯一)
rospy.init_node("talker_p")
#3.实例化 发布者 对象
pub = rospy.Publisher("chatter",String,queue_size=10)
#4.组织被发布的数据,并编写逻辑发布数据
msg = String() #创建 msg 对象
msg_front = "hello 你好"
count = 0 #计数器
# 设置循环频率
rate = rospy.Rate(1)
while not rospy.is_shutdown():
#拼接字符串
msg.data = msg_front + str(count)
pub.publish(msg)
rate.sleep()
rospy.loginfo("写出的数据:%s",msg.data)
count += 1
2.订阅方
#! /usr/bin/env python
"""
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.导包
2.初始化 ROS 节点:命名(唯一)
3.实例化 订阅者 对象
4.处理订阅的消息(回调函数)
5.设置循环调用回调函数
"""
#1.导包
import rospy
from std_msgs.msg import String
def doMsg(msg):
rospy.loginfo("I heard:%s",msg.data)
if __name__ == "__main__":
#2.初始化 ROS 节点:命名(唯一)
rospy.init_node("listener_p")
#3.实例化 订阅者 对象
sub = rospy.Subscriber("chatter",String,doMsg,queue_size=10)
#4.处理订阅的消息(回调函数)
#5.设置循环调用回调函数
rospy.spin()
3.添加可执行权限
终端下进入 scripts 执行:chmod +x *.py
右键Scripts文件夹,在集成终端中打开。
4.配置 CMakeLists.txt
catkin_install_python(PROGRAMS
scripts/talker_p.py
scripts/listener_p.py
DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_BIN_DESTINATION}
)
5.执行
- 启动 roscore;
- 启动发布节点;
- 启动订阅节点。
1.运行roscore报错:
结束进程:
killall -9 roscore //如果提示未找到进程不用管,继续执行下一条
killall -9 rosmaster
2-3 C++与python节点通信
上文中C++的发布和Python的订阅节点直接可以通信,好神奇哦!
三、自定义msg
在 ROS 通信协议中,数据载体是一个较为重要组成部分,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。
3-1 自定义msg
有点像结构体
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:
- 按照固定格式创建 msg 文件
- 编辑配置文件
- 编译生成可以被 Python 或 C++ 调用的中间文件
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
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>
<!--
exce_depend 以前对应的是 run_depend 现在非法
-->
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
## 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
)
3.编译
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/包名/xxx.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 时,是从这些中间文件调用的。
3-2 C++实现自定义msg调用
需求:
编写发布订阅实现,要求发布方以10HZ(每秒10次)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。
分析:
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,需要关注的关键点有三个:
- 发布方
- 接收方
- 数据(此处为自定义消息)
流程:
- 编写发布方实现;
- 编写订阅方实现;
- 编辑配置文件;
- 编译并执行。
0.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/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
}
1.发布方
/*
需求: 循环发布人的信息
*/
#include "ros/ros.h"
#include "demo02_talker_listener/Person.h"
int main(int argc, char *argv[])
{
setlocale(LC_ALL,"");
//1.初始化 ROS 节点
ros::init(argc,argv,"talker_person");
//2.创建 ROS 句柄
ros::NodeHandle nh;
//3.创建发布者对象
ros::Publisher pub = nh.advertise<demo02_talker_listener::Person>("chatter_person",1000);
//4.组织被发布的消息,编写发布逻辑并发布消息
demo02_talker_listener::Person p;
p.name = "sunwukong";
p.age = 2000;
p.height = 1.45;
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.订阅方
/*
需求: 订阅人的信息
*/
#include "ros/ros.h"
#include "demo02_talker_listener/Person.h"
void doPerson(const demo02_talker_listener::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,"listener_person");
//2.创建 ROS 句柄
ros::NodeHandle nh;
//3.创建订阅对象
ros::Subscriber sub = nh.subscribe<demo02_talker_listener::Person>("chatter_person",10,doPerson);
//4.回调函数中处理 person
//5.ros::spin();
ros::spin();
return 0;
}
3.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 ${PROJECT_NAME}_generate_messages_cpp)
add_dependencies(person_listener ${PROJECT_NAME}_generate_messages_cpp)
target_link_libraries(person_talker
${catkin_LIBRARIES}
)
target_link_libraries(person_listener
${catkin_LIBRARIES}
)
4.执行
- 启动 roscore;
- 启动发布节点;
- 启动订阅节点。
1.路径必须包含全部的不然会报错。也不知道为啥。
2.启动新终端,键入: rqt_graph 或 rosrun rqt_graph rqt_graph,可以看到网络拓扑图,该图可以显示不同节点之间的关系。
3-3 Python实现自定义msg调用
需求:
编写发布订阅实现,要求发布方以1HZ(每秒1次)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。
分析:
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,需要关注的关键点有三个:
- 发布方
- 接收方
- 数据(此处为自定义消息)
流程:
- 编写发布方实现;
- 编写订阅方实现;
- 为python文件添加可执行权限;
- 编辑配置文件;
- 编译并执行。
0.vscode配置
为了方便代码提示以及误抛异常,需要先配置 vscode,将前面生成的 python 文件路径配置进 settings.json
{
"python.autoComplete.extraPaths": [
"/opt/ros/noetic/lib/python3/dist-packages",
"/xxx/yyy工作空间/devel/lib/python3/dist-packages"
]
}
1.发布方
#! /usr/bin/env python
"""
发布方:
循环发送消息
"""
import rospy
from demo02_talker_listener.msg import Person
if __name__ == "__main__":
#1.初始化 ROS 节点
rospy.init_node("talker_person_p")
#2.创建发布者对象
pub = rospy.Publisher("chatter_person",Person,queue_size=10)
#3.组织消息
p = Person()
p.name = "葫芦瓦"
p.age = 18
p.height = 0.75
#4.编写消息发布逻辑
rate = rospy.Rate(1)
while not rospy.is_shutdown():
pub.publish(p) #发布消息
rate.sleep() #休眠
rospy.loginfo("姓名:%s, 年龄:%d, 身高:%.2f",p.name, p.age, p.height)
2.订阅方
#! /usr/bin/env python
"""
订阅方:
订阅消息
"""
import rospy
from demo02_talker_listener.msg import Person
def doPerson(p):
rospy.loginfo("接收到的人的信息:%s, %d, %.2f",p.name, p.age, p.height)
if __name__ == "__main__":
#1.初始化节点
rospy.init_node("listener_person_p")
#2.创建订阅者对象
sub = rospy.Subscriber("chatter_person",Person,doPerson,queue_size=10)
rospy.spin() #4.循环
3.权限设置
终端下进入 scripts 执行:chmod +x *.py
4.配置 CMakeLists.txt
catkin_install_python(PROGRAMS
scripts/talker_p.py
scripts/listener_p.py
scripts/person_talker.py
scripts/person_listener.py
DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_BIN_DESTINATION}
)
5.执行
参考:
[1]Autolabor-ROS机器人入门课程《ROS理论与实践》季基础教程
[2]【Autolabor初级教程】ROS机器人入门
[3]胡春旭.ROS机器人开发实践[M].机械工业出版社,2018.