LCM通讯的使用

news2024/11/15 20:10:26

本文主要介绍LCM通讯的基本使用，内容主要整理自官网

https://lcm-proj.github.io/lcm/index.html

LCM，即Library for Communication and Marshalling，是一组用于消息传递与数据封装的库和工具，它主要的面向对象是要求高带宽、低延迟的实时系统。

它使用publish/subscribe的方式进行进程间通信，和ROS的话题有点类似。

既然涉及进程间通信，那么使用什么编程语言就无关紧要了，即不同编程语言编写的程序都可以互相通信。

LCM主要具有以下特点：

  • 低延迟进程间通信

  • 使用UDP组播的高效广播机制

  • 类型安全的编组/解组

  • 用户友好的日志记录和回放功能

  • 点对点通信

  • 无需守护进程

  • 依赖少

本文介绍LCM的基本使用。本文环境为ubuntu20.04

LCM下载

进入官网，下载安装包

https://github.com/lcm-proj/lcm/releases

image-20240712223302612

环境构建

首先安装LCM的依赖：

sudo apt install build-essential cmake libglib2.0-dev

然后将包放到自己的目录下解压，执行以下步骤：

mkdir build

cd build

cmake ..

make

sudo make install

至此环境构建完成。

简单程序编写

简单体验下LCM的通讯方式，此处使用C++语言，使用官网例程做示范。

  • 选择一个路径创建项目的文件夹

    image-20240712224402425

  • 定义消息类型，创建发布方、接收方，编写CMakeLists文件

    image-20240712224622049

    四个文件的内容如下：

    • example_t.lcm

      package exlcm;

struct example_t
{
    int64_t  timestamp;
    double   position[3];
    double   orientation[4]; 
    int32_t  num_ranges;
    int16_t  ranges[num_ranges];
    string   name;
    boolean  enabled;
}

    • lcm_publisher.cpp

      #include <lcm/lcm-cpp.hpp>
#include "exlcm/example_t.hpp"

int main(int argc, char ** argv)
{
    lcm::LCM lcm;
    if(!lcm.good())
        return 1;

    exlcm::example_t my_data;
    my_data.timestamp = 0;

    my_data.position[0] = 1;
    my_data.position[1] = 2;
    my_data.position[2] = 3;

    my_data.orientation[0] = 1;
    my_data.orientation[1] = 0;
    my_data.orientation[2] = 0;
    my_data.orientation[3] = 0;

    my_data.num_ranges = 15;
    my_data.ranges.resize(my_data.num_ranges);
    for(int i = 0; i < my_data.num_ranges; i++)
        my_data.ranges[i] = i;

    my_data.name = "example string";
    my_data.enabled = true;

    lcm.publish("EXAMPLE", &my_data);

    return 0;
}

    • lcm_receiver.cpp

      
#include <stdio.h>
#include <lcm/lcm-cpp.hpp>
#include "exlcm/example_t.hpp"

class Handler 
{
    public:
        ~Handler() {}

        void handleMessage(const lcm::ReceiveBuffer* rbuf,
                const std::string& chan, 
                const exlcm::example_t* msg)
        {
            int i;
            printf("Received message on channel \"%s\":\n", chan.c_str());
            printf("  timestamp   = %lld\n", (long long)msg->timestamp);
            printf("  position    = (%f, %f, %f)\n",
                    msg->position[0], msg->position[1], msg->position[2]);
            printf("  orientation = (%f, %f, %f, %f)\n",
                    msg->orientation[0], msg->orientation[1], 
                    msg->orientation[2], msg->orientation[3]);
            printf("  ranges:");
            for(i = 0; i < msg->num_ranges; i++)
                printf(" %d", msg->ranges[i]);
            printf("\n");
            printf("  name        = '%s'\n", msg->name.c_str());
            printf("  enabled     = %d\n", msg->enabled);
        }
};

int main(int argc, char** argv)
{
    lcm::LCM lcm;
    if(!lcm.good())
        return 1;

    Handler handlerObject;
    lcm.subscribe("EXAMPLE", &Handler::handleMessage, &handlerObject);

    while(0 == lcm.handle());

    return 0;
}

    • CMakeLists.txt

      cmake_minimum_required(VERSION 3.1)

project(lcm_cpp_example)

find_package(lcm REQUIRED)
include(${LCM_USE_FILE})

# Put all message definition files in the type directory in one list
FILE(GLOB example_message_definitions "${CMAKE_CURRENT_LIST_DIR}/../types/*.lcm")

# Generate headers from message definition
lcm_wrap_types(CPP_HEADERS cpp_headers
  ${example_message_definitions})

# Create library from all the messages
lcm_add_library(example_messages-cpp CPP ${cpp_headers})
target_include_directories(example_messages-cpp INTERFACE
  $<BUILD_INTERFACE:${CMAKE_CURRENT_BINARY_DIR}>)

# Create executables for the three example programs, linking all of them to our
# messages library and lcm

add_executable(lcm_receiver "lcm_receiver.cpp")
lcm_target_link_libraries(lcm_receiver example_messages-cpp ${LCM_NAMESPACE}lcm)

add_executable(lcm_publisher "lcm_publisher.cpp")
lcm_target_link_libraries(lcm_publisher example_messages-cpp ${LCM_NAMESPACE}lcm)

    以上文件中头文件exlcm/example_t.hpp是缺失的，这时我们在目录下执行lcm-gen -x example_t.lcm，则可以看到当前目录下生成了exlcm文件夹，下面自动生成了example_t.hpp

    image-20240712225454876

    example_t.hpp的内容如下：

    /** THIS IS AN AUTOMATICALLY GENERATED FILE.  DO NOT MODIFY
 * BY HAND!!
 *
 * Generated by lcm-gen
 **/

#ifndef __exlcm_example_t_hpp__
#define __exlcm_example_t_hpp__

#include <lcm/lcm_coretypes.h>

#include <vector>
#include <string>

namespace exlcm
{

class example_t
{
    public:
        int64_t    timestamp;

        double     position[3];

        double     orientation[4];

        int32_t    num_ranges;

        std::vector< int16_t > ranges;

        std::string name;

        int8_t     enabled;

    public:
        /**
         * Encode a message into binary form.
         *
         * @param buf The output buffer.
         * @param offset Encoding starts at thie byte offset into @p buf.
         * @param maxlen Maximum number of bytes to write.  This should generally be
         *  equal to getEncodedSize().
         * @return The number of bytes encoded, or <0 on error.
         */
        inline int encode(void *buf, int offset, int maxlen) const;

        /**
         * Check how many bytes are required to encode this message.
         */
        inline int getEncodedSize() const;

        /**
         * Decode a message from binary form into this instance.
         *
         * @param buf The buffer containing the encoded message.
         * @param offset The byte offset into @p buf where the encoded message starts.
         * @param maxlen The maximum number of bytes to read while decoding.
         * @return The number of bytes decoded, or <0 if an error occured.
         */
        inline int decode(const void *buf, int offset, int maxlen);

        /**
         * Retrieve the 64-bit fingerprint identifying the structure of the message.
         * Note that the fingerprint is the same for all instances of the same
         * message type, and is a fingerprint on the message type definition, not on
         * the message contents.
         */
        inline static int64_t getHash();

        /**
         * Returns "example_t"
         */
        inline static const char* getTypeName();

        // LCM support functions. Users should not call these
        inline int _encodeNoHash(void *buf, int offset, int maxlen) const;
        inline int _getEncodedSizeNoHash() const;
        inline int _decodeNoHash(const void *buf, int offset, int maxlen);
        inline static uint64_t _computeHash(const __lcm_hash_ptr *p);
};

int example_t::encode(void *buf, int offset, int maxlen) const
{
    int pos = 0, tlen;
    int64_t hash = getHash();

    tlen = __int64_t_encode_array(buf, offset + pos, maxlen - pos, &hash, 1);
    if(tlen < 0) return tlen; else pos += tlen;

    tlen = this->_encodeNoHash(buf, offset + pos, maxlen - pos);
    if (tlen < 0) return tlen; else pos += tlen;

    return pos;
}

int example_t::decode(const void *buf, int offset, int maxlen)
{
    int pos = 0, thislen;

    int64_t msg_hash;
    thislen = __int64_t_decode_array(buf, offset + pos, maxlen - pos, &msg_hash, 1);
    if (thislen < 0) return thislen; else pos += thislen;
    if (msg_hash != getHash()) return -1;

    thislen = this->_decodeNoHash(buf, offset + pos, maxlen - pos);
    if (thislen < 0) return thislen; else pos += thislen;

    return pos;
}

int example_t::getEncodedSize() const
{
    return 8 + _getEncodedSizeNoHash();
}

int64_t example_t::getHash()
{
    static int64_t hash = static_cast<int64_t>(_computeHash(NULL));
    return hash;
}

const char* example_t::getTypeName()
{
    return "example_t";
}

int example_t::_encodeNoHash(void *buf, int offset, int maxlen) const
{
    int pos = 0, tlen;

    tlen = __int64_t_encode_array(buf, offset + pos, maxlen - pos, &this->timestamp, 1);
    if(tlen < 0) return tlen; else pos += tlen;

    tlen = __double_encode_array(buf, offset + pos, maxlen - pos, &this->position[0], 3);
    if(tlen < 0) return tlen; else pos += tlen;

    tlen = __double_encode_array(buf, offset + pos, maxlen - pos, &this->orientation[0], 4);
    if(tlen < 0) return tlen; else pos += tlen;

    tlen = __int32_t_encode_array(buf, offset + pos, maxlen - pos, &this->num_ranges, 1);
    if(tlen < 0) return tlen; else pos += tlen;

    if(this->num_ranges > 0) {
        tlen = __int16_t_encode_array(buf, offset + pos, maxlen - pos, &this->ranges[0], this->num_ranges);
        if(tlen < 0) return tlen; else pos += tlen;
    }

    char* name_cstr = const_cast<char*>(this->name.c_str());
    tlen = __string_encode_array(
        buf, offset + pos, maxlen - pos, &name_cstr, 1);
    if(tlen < 0) return tlen; else pos += tlen;

    tlen = __boolean_encode_array(buf, offset + pos, maxlen - pos, &this->enabled, 1);
    if(tlen < 0) return tlen; else pos += tlen;

    return pos;
}

int example_t::_decodeNoHash(const void *buf, int offset, int maxlen)
{
    int pos = 0, tlen;

    tlen = __int64_t_decode_array(buf, offset + pos, maxlen - pos, &this->timestamp, 1);
    if(tlen < 0) return tlen; else pos += tlen;

    tlen = __double_decode_array(buf, offset + pos, maxlen - pos, &this->position[0], 3);
    if(tlen < 0) return tlen; else pos += tlen;

    tlen = __double_decode_array(buf, offset + pos, maxlen - pos, &this->orientation[0], 4);
    if(tlen < 0) return tlen; else pos += tlen;

    tlen = __int32_t_decode_array(buf, offset + pos, maxlen - pos, &this->num_ranges, 1);
    if(tlen < 0) return tlen; else pos += tlen;

    if(this->num_ranges) {
        this->ranges.resize(this->num_ranges);
        tlen = __int16_t_decode_array(buf, offset + pos, maxlen - pos, &this->ranges[0], this->num_ranges);
        if(tlen < 0) return tlen; else pos += tlen;
    }

    int32_t __name_len__;
    tlen = __int32_t_decode_array(
        buf, offset + pos, maxlen - pos, &__name_len__, 1);
    if(tlen < 0) return tlen; else pos += tlen;
    if(__name_len__ > maxlen - pos) return -1;
    this->name.assign(
        static_cast<const char*>(buf) + offset + pos, __name_len__ - 1);
    pos += __name_len__;

    tlen = __boolean_decode_array(buf, offset + pos, maxlen - pos, &this->enabled, 1);
    if(tlen < 0) return tlen; else pos += tlen;

    return pos;
}

int example_t::_getEncodedSizeNoHash() const
{
    int enc_size = 0;
    enc_size += __int64_t_encoded_array_size(NULL, 1);
    enc_size += __double_encoded_array_size(NULL, 3);
    enc_size += __double_encoded_array_size(NULL, 4);
    enc_size += __int32_t_encoded_array_size(NULL, 1);
    enc_size += __int16_t_encoded_array_size(NULL, this->num_ranges);
    enc_size += this->name.size() + 4 + 1;
    enc_size += __boolean_encoded_array_size(NULL, 1);
    return enc_size;
}

uint64_t example_t::_computeHash(const __lcm_hash_ptr *)
{
    uint64_t hash = 0x1baa9e29b0fbaa8bLL;
    return (hash<<1) + ((hash>>63)&1);
}

}

#endif

测试

创建build文件夹，进入，执行以下命令：
cd build

cmake ..

make

可以看到当前目录下生成了对应的可执行文件：

image-20240712225838113

image-20240712230131481

运行lcm_receiver

重新开一个终端运行lcm_publisher，可以看到：

image-20240712230045459

通信成功。

小结

本文主要介绍了机器人中LCM通讯的入门使用。感兴趣的朋友可以去官网进一步学习。

实际上，LCM和ROS的话题通讯方式在使用上十分类似，不过，正如开头所说，LCM的面向对象是要求高带宽、低延迟的实时系统，如机械臂的控制系统；与之相比ROS的通信机制更复杂，通信延时会更高一点，在这一点上LCM比ROS1的表现更好。

但是ROS有更强大的生态社区，在做一些复杂的功能时，ROS有更丰富的工具帮助快速搭建系统，如rviz、rqt等。因此二者也是各有优劣。

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