ROS2 Topics和Services

本文主要介绍ROS的Topics概念，如何创建Publisher和Subscriber，通过Topic在ROS程序间通信；介绍ROS的Services概念，如何创建Client和Server并建立通信。
更多内容，访问专栏目录获取实时更新。

ROS Topics

Topics可以被视为一种具名的总线，用于节点间交换数据，通过Topics可以发布和订阅消息，实现单向的流式通信。需要注意的重点包括：

单向流式通信（发布/订阅模式）
匿名通信
每个Topic都有特定的消息格式
可以在ROS节点中通过Python, C++等多种语言实现
一个节点可以拥有多个Topic

Publisher in Python

在ROS2基础编程一文中，我们已经创建了工作空间和工作包，在此基础上，来通过Python实现一个Topic的发布者。
在my_py_pkg工作包下创建一个新的文件robot_news_station.py
在这里插入图片描述
robot_news_station.py

#!/usr/bin/env python3
import rclpy
from rclpy.node import Node
from example_interfaces.msg import String  # do not forget to add package dependency

class RobotNewsPublisherNode(Node):
  def __init__(self):
    super().__init__("robot_news_publisher")

    self.robot_name = "HiRobot"
    self.publisher = self.create_publisher(String, "robot_news", 10)
    self.timer = self.create_timer(1, self.publish_news)
    self.get_logger().info("Robot News Publisher has been started")

  def publish_news(self):
    msg = String()
    msg.data = "Hi, this is " + str(self.robot_name) + " from the robot news publisher"
    self.publisher.publish(msg)


def main(args=None):
  rclpy.init(args=args)
  node = RobotNewsPublisherNode()
  rclpy.spin(node)
  rclpy.shutdown()


if __name__ == "__main__":
  main()

还需要添加依赖包引用，修改package.xml文件:
在这里插入图片描述

然后装载我们的新节点，修改setup.py:
在这里插入图片描述

之后执行下面的指令就可以启动我们的publisher了：

colcon build --packages-select my_py_pkg --symlink-install
source ~/.bashrc
ros2 run my_py_pkg robot_news_station
ros2 topic echo /robot_news

Subscriber in Python

创建订阅者的方式与创建发布者类似，这里我们添加了一个名为robot_news_subscriber.py的文件：

#!/usr/bin/env python3
import rclpy
from rclpy.node import Node
from example_interfaces.msg import String  # do not forget to add package dependency

class RobotNewsSubscriberNode(Node):
  def __init__(self):
    super().__init__("robot_news_subscriber")

    self.subscriber = self.create_subscription(String, "robot_news", self.subscribe_news_callback, 10)
    self.get_logger().info("Robot News Subscriber has been started")

  def subscribe_news_callback(self, msg):
    self.get_logger().info(msg.data)


def main(args=None):
  rclpy.init(args=args)
  node = RobotNewsSubscriberNode()
  rclpy.spin(node)
  rclpy.shutdown()


if __name__ == "__main__":
  main()

不要忘记修改setup.py和colcon build编译。之后同时运行publisher和subscriber就可以看到右侧命令行里的subscriber每1s收到一条来自publisher的信息，并打印：
在这里插入图片描述

使用命令行工具调试Topics

ros2 topic list
ros2 topic info <topic_name>  # 查看所有激活的topic
ros2 topic echo <topic_name>   # 创建一个订阅者监听发布的消息
ros2 interface show <msg_type>  # 显示话题消息的类型
ros2 topic hz <topic_name>  # 获取发布频率
ros2 topic bw <topic_name>  # 获取消息的长度，byte width
ros2 topic pub <topic_name>  <msg_type> <msg_data>  # 发布一个topic
ros2 topic pub -r 10 /robot_news example_interfaces/msg/String "{data: 'hello from robot'}"
ros2 node list
ros2 info <node_name>
ros2 run <pkg_name> <node_name> --ros-args -r __node:=<new_node_name>
ros2 run <pkg_name> <node_name> --ros-args -r __node:=<new_node_name> -r <topic_name>:=<new_topic_name>

Ros Services

前文提到Topics实现的是单向的传输，通过发布/订阅模式建立连接，但用在一些需要请求/回复的分布式系统中就不太合适了。
Services可以帮助我们实现请求/回复的通信模式，一条消息用于请求，一条用于回复，ROS节点以字符串名称提供服务，客户端通过发送请求消息并等待回复来调用服务，从而建立持久性的连接。

Service Server in Python

ros2 interface show example_interfaces/srv

执行上面的指令，你能看到example_interface包里提供了哪些服务，这里我们使用AddTwoInts来演示如何创建一个service server
add_two_ints_server.py

#!/usr/bin/env python3
import rclpy
from rclpy.node import Node
from example_interfaces.srv import AddTwoInts


class AddTwoIntsServerNode(Node):
  def __init__(self):
    super().__init__("add_two_ints_server")
    self.server = self.create_service(AddTwoInts, "add_two_ints", self.callback_add_two_ints)
    self.get_logger().info("Add Two Ints Server has started")

  def callback_add_two_ints(self, request, response):
    response.sum = request.a + request.b
    self.get_logger().info(str(request.a) + " + " + str(request.b) + " = " + str(response.sum))
    return response


def main(args=None):
  rclpy.init(args=args)
  node = AddTwoIntsServerNode()
  rclpy.spin(node)
  rclpy.shutdown()


if __name__ == "__main__":
  main()

编译并运行，通过ros2 service list就能在服务列表里看到我们启动的服务了。
在这里插入图片描述

ros2 service call /add_two_ints example_interfaces/srv/AddTwoInts "{a: 3, b: 4}"

执行上面的指令就可以在命令行里调用我们创建的service。

Service Client in Python

add_two_ints_client.py

#!/usr/bin/env python3
import rclpy
from rclpy.node import Node
from example_interfaces.srv import AddTwoInts


def main(args=None):
  rclpy.init(args=args)
  
  node = Node("add_two_ints_no_oop")
  client = node.create_client(AddTwoInts, "add_two_ints")
  while not client.wait_for_service(1):
    node.get_logger().warn("Waiting for server Add Two Ints...")

  request = AddTwoInts.Request()
  request.a = 3
  request.b = 8
  future = client.call_async(request)
  rclpy.spin_until_future_complete(node, future)

  try:
    response = future.result()
    node.get_logger().info(str(request.a) + " + " + str(request.b) + " = " + str(response.sum))
  except Exception as e:
    node.get_logger().error("Service call failed %r" % (e,))


  rclpy.shutdown()


if __name__ == "__main__":
  main()

使用命令行工具调试Services

ros2 service list
ros2 service type <service_name>
ros2 interface show <service type>
ros2 service call <service_name> <service_type> <value>
ros2 run <pkg_name> <node_name> --ros-args -r <service_name>:=<new_service_name>

ROS Interface

ROS应用之间有三种通信接口：messages, services和actions，ROS2使用IDL（interface definition language）来描述这些接口，使得在不同应用，不同编程语言间进行交互更加简单。例如前文提到的Topic和Service：

Topic:

Name:话题名
消息定义：Msg，如example_interfaces/msg/Int64

Service:

Name: 服务名
服务定义：Srv，如example_interfaces/srv/AddTwoInts (包含request和response)

创建自定义的Msg

创建一个新的工作包my_robot_interfaces，移除目录下的include和src文件夹，并新建msg文件夹：
在这里插入图片描述
在msg文件夹下新建msg定义文件: HardwareStatus.msg

int64 temperature
string debug_message

更新package.xml，添加：

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

更新CMakeLists.txt，添加：

find_package(rosidl_default_generators REQUIRED)

rosidl_generate_interfaces(${PROJECT_NAME}
  "msg/HardwareStatus.msg"
)

ament_export_dependencies(rosidl_default_runtime)
ament_package()

然后编译工作包，就可以在其他工程中使用该Msg定义了。

使用自定义的Msg

在my_py_pkg工作包下创建一个新的publisher：hw_status_publisher.py

#!/usr/bin/env python3
import rclpy
from rclpy.node import Node
from my_robot_interfaces.msg import HardwareStatus


class HardwareStatusPublisherNode(Node):
  def __init__(self):
    super().__init__("hardware_status_publisher")
    self.hw_status_publisher = self.create_publisher(HardwareStatus, "hardware_status", 10)
    self.timer = self.create_timer(1, self.publish_hw_status)
    self.get_logger().info("Hardware Status Publisher has been started")
  
  def publish_hw_status(self):
    msg = HardwareStatus()
    msg.temperature = 45
    msg.debug_message = "No error"
    self.hw_status_publisher.publish(msg)


def main(args=None):
  rclpy.init(args=args)
  node = HardwareStatusPublisherNode()
  rclpy.spin(node)
  rclpy.shutdown()


if __name__ == "__main__":
  main()

不要忘记在package.xml中添加对my_robot_interface的依赖，并把新的节点加载到setup.py并编译。运行haredware_status_publisher并监听，可以看到如下的效果：
在这里插入图片描述

创建自定义的Srv

在my_robot_interfaces工作包目录下创建srv文件夹，并新建文件ComputerRectangleArea.srv

float64 length
float64 width
---
float64 area

更新CMakeLists.txt
在这里插入图片描述
成功编译了工作包后我们就能够获得自定义的Srv了

如有错误，欢迎留言或来信指正：hbin6358@163.com