ROS2 学习09--ros 中的通信接口的定义以及如何创建自定义msg、srv和action文件

在ROS系统中，无论话题还是服务，或者我们后续将要学习的动作，都会用到一个重要的概念——通信接口。

通信并不是一个人自言自语，而是两个甚至更多个人，你来我往的交流，交流的内容是什么呢？为了让大家都好理解，我们可以给传递的数据定义一个标准的结构，这就是通信接口。

接口的定义
接口的概念在各个领域随处可见，无论是硬件结构还是软件开发，都有广泛的应用。
在这里插入图片描述比如生活中最为常见的插头和插座，两者必须匹配才能使用，电脑和手机上的USB接口也是，什么Micro-USB、TypeC等等，都是关于接口的具体定义。

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软件开发中，接口的使用就更多了，比如我们在编写程序时，使用的函数和函数的输入输出也称之为接口，每一次调用函数的时候，就像是把主程序和调用函数通过这个接口连接到一起，系统才能正常工作。

更为形象的是图形化编程中使用的程序模块，每一个模块都有固定的结构和形状，只有两个模块相互匹配，才能在一起工作，这就很好的讲代码形象化了。

所以什么是接口，它是一种相互关系，只有彼此匹配，才能建立连接。

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回到ROS的通信系统，它的主要目的就是传输数据，那就得让大家高效的建立连接，并且准确包装和解析传输的数据内容，话题、服务等机制也就诞生了，他们传输的数据，都要符合通信接口的标准定义。

比如摄像头驱动发布的图像话题，由每个像素点的R、G、B三原色值组成，控制机器人运动的速度指令，由线速度和角速度组成，进行机器人配置的服务，有配置的参数和反馈的结果组成等等，类似这些常用的定义，在ROS系统中都有提供，我们也可以自己开发。

这些接口看上去像是给我们加了一些约束，但却是ROS系统的精髓所在。举个例子，我们使用相机驱动节点的时候，完全不用关注它是如何驱动相机的，只要一句话运行，我们就可以知道发布出来的图像数据是什么样的了，直接开始我们的应用开发；类似的，键盘控制我们也可以安装一个ROS包，如何实现的呢？不用关心，反正它发布出来的肯定是线速度和角速度。

ROS通信接口接口可以让程序之间的依赖降低，便于我们使用别人的代码，也方便别人使用我们的代码，这就是ROS的核心目标，减少重复造轮子。

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ROS有三种常用的通信机制，分别是话题、服务、动作，通过每一种通信种定义的接口，各种节点才能有机的联系到一起。

语言无关

为了保证每一个节点可以使用不同语言编程，ROS将这些接口的设计做成了和语言无关的，比如这里看到的int32表示32位的整型数，int64表示64位的整型数，bool表示布尔值，还可以定义数组、结构体，这些定义在编译过程中，会自动生成对应到C++、Python等语言里的数据结构。

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话题通信接口的定义使用的是.msg文件，由于是单向传输，只需要描述传输的每一帧数据是什么就行，比如在这个定义里，会传输两个32位的整型数，x、y，我们可以用来传输二维坐标的数值。
服务通信接口的定义使用的是.srv文件，包含请求和应答两部分定义，通过中间的“—”区分，比如之前我们学习的加法求和功能，请求数据是两个64位整型数a和b，应答是求和的结果sum。
动作是另外一种通信机制，用来描述机器人的一个运动过程，使用.action文件定义，比如我们让小海龟转90度，一边转一边周期反馈当前的状态，此时接口的定义分成了三个部分，分别是动作的目标，比如是开始运动，运动的结果，最终旋转的90度是否完成，还有一个周期反馈，比如每隔1s反馈一下当前转到第10度、20度还是30度了，让我们知道运动的进度。

标准接口

大家可能好奇ROS系统到底给我们定义了哪些接口呢？我们可以在ROS安装路径中的share文件夹中找到，涵盖众多标准定义，大家可以打开几个看看。

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一、ROS2创建自定义msg、srv和action文件的思路

ROS2通过自带rosidl_default_generators包来为自定义的msg、srv和action文件生成各个语言的头文件！

ROS2通过在CMakeLists.txt中调用新增的宏rosidl_generate_interfaces来为msg、srv和action文件生成各个语言的头文件！而这个宏的实现定义在rosidl_default_generators包。

二、基本数据类型

利用ROS2的原始基本数据类型和已有的数据类型，可以自定义需要的数据类型。

2.1 ROS2的基本原始数据类型
ROS2目前支持的内置类型：
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每种内置类型都可以用来定义数组：

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所有比其ROS定义更宽松的类型均由软件强制执行ROS的范围和长度约束。

使用数组和有界类型的消息定义示例：

int32[] unbounded_integer_array
int32[5] five_integers_array
int32[<=5] up_to_five_integers_array

string string_of_unbounded_size
string<=10 up_to_ten_characters_string

string[<=5] up_to_five_unbounded_strings
string<=10[] unbounded_array_of_string_up_to_ten_characters each
string<=10[<=5] up_to_five_strings_up_to_ten_characters_each

三、创建自定义的msg、srv和action

3.1 创建功能包

在本文中，将在自己的包中创建自定义的.msg、.srv和.action文件，然后在另外的包中使用它们，这两个包应该在同一个工作空间dev_ws/src目录中,然后运行以下命令创建一个新包。

ros2 pkg create --build-type ament_cmake learning_inteface

tutorial_interfaces是新包的名称。注意，它是一个CMake包，目前还没有办法在纯Python包中生成.msg、.srv和.action文件。但是，可以在CMake包中创建自定义接口，然后在Python节点中使用它。

将.msg、.srv和.action文件保存在自己的包中是一种很好的做法。在dev_ws/src/learning_inteface 目录下创建：

mkdir msg srv action

3.2 创建自定义接口文件

3.2.1 自定义msg文件
在learning_inteface/msg文件夹下，创建一个名为Num.msg的新文件，用一行代码声明它的数据结构：

int64 num

这是自定义的消息，它传输一个名称为num的64位整数。

3.2.2 自定义srv文件

srv文件和msg文件相似，除了它包含两个部分：请求和响应。这两部分用“—”线分隔。

在learning_inteface/srv文件夹下，创建一个名为AddThreeInts.srv的新文件，并声明他的请求和响应结构：

int64 a
int64 b

---
int64 sum

这是自定义的服务，它请求三个名为a、b 的整数，并以一个名为sum的整数进行响应。

3.2.3 自定义action文件
按照以下格式定义.action文件：

Request
---
Result
---
Feedback

动作定义由三个消息定义组成，它们之间用–分隔。

请求（request）消息从动作客户端发送到动作服务器，初始化一个新目标。
当目标完成时，结果（result）消息从动作服务器发送到动作客户端。
反馈（feedback）消息定期从动作服务器发送到动作客户端，其中包含关于目标的更新。

一个动作的实例通常被称为目标（goal）。

假设想要定义一个新的动作“Fibonacci”来计算Fibonacci序列。

在learning_inteface/action目录中，创建一个名为Fibonacci.action的文件，内容如下:

int32 order
---
int32[] sequence
---
int32[] partial_sequence

目标请求是想要计算的斐波那契数列的order，结果是最终的sequence，而反馈是到目前为止计算的partial_sequence。

3.3 编译生成

3.3.1 CMakeLists.txt

要将自定义的接口（interface）转换成基于语言的代码（如C++和Python），以便它们可以在这些语言中使用，请将以下代码添加到CMakeLists.txt中:

find_package(rosidl_default_generators REQUIRED)

rosidl_generate_interfaces(${PROJECT_NAME}
  "msg/Num.msg"
  "srv/AddThreeInts.srv"
  "action/Fibonacci.action"
 )

注意：需要依赖于action_msgs，因为动作定义包括额外的元数据(例如目标id)。

3.3.2 package.xml

因为接口依赖于rosidl_default_generators来生成基于语言的代码，所以需要声明对它的依赖关系。提供其他包使用，将以下行添加到package.xml中：

<depend>action_msgs</depend>

<build_depend>rosidl_default_generators</build_depend>
<exec_depend>rosidl_default_runtime</exec_depend>
<member_of_group>rosidl_interface_packages</member_of_group>

3.3.3 编译
在工作空间的根目录(~/dev_ws)中，运行以下命令:

colcon build --packages-select learning_inteface

source install/setup.bash

现在接口将被其他ROS 2包发现。