ROS 的通信机制之话题订阅模型详解

ROS 的通信机制之话题订阅模型

1.基础概念

1. 话题（Topic）：话题表示的是一个定义了类型的消息流。例如，摄像机产生的数据可能会被发送到一个名为“image”的话题上，其消息类型是Image。
2. 发布与订阅：
   • 发布（Publish）：节点可以将数据发布到特定的话题上。在发布数据之前，节点需要先声明话题名和消息类型，并与roscore（ROS的核心）建立连接。roscore会共享其订阅者与发布者的列表，然后节点就可以将数据发布到该话题上了。
   • 订阅（Subscribe）：想要从话题上接收数据的节点，需要向roscore发出请求以订阅该话题。订阅后，该话题上所有的消息都会被转发到这个请求的节点上，从而建立了发布者与订阅者之间的直接连接。
3. 消息类型：同一个话题上的所有消息必须是同一类型的。ROS提供了多种基础的消息类型，如std_msgs（标准的数据类型）、geometry_msgs（几何数据型）和sensor_msgs（传感器数据型）。但在实际应用中，很多时候还需要设计特定的消息类型。

2.通信流程

• 发布者创建并发布特定主题上的数据。
• 订阅者向roscore请求订阅该主题。
• roscore将主题上的数据转发给订阅者。

3.本质原理

话题订阅模型在ROS中的实现本质上依赖于底层的通信机制和网络编程。

3.1节点注册和发现

• ROS节点在启动时，会向ROS Master（roscore的一部分）注册自己，并声明它们将要发布或订阅的话题。
• ROS Master维护一个全局的话题和节点注册表，它知道哪些节点正在运行，以及这些节点正在发布或订阅哪些话题。

3.2话题匹配

• 当一个节点想要订阅某个话题时，它会向ROS Master发送一个请求，询问有哪些节点正在发布该话题。
• ROS Master将发布该话题的节点信息返回给订阅者节点。
• 订阅者节点随后直接与发布者节点建立连接，开始接收数据。

3.3通信协议

• ROS使用TCPROS或UDPROS等协议作为底层的通信协议。TCPROS提供了可靠的数据传输，而UDPROS则提供了更高效的通信，但牺牲了一定的可靠性。
• 发布者节点将消息序列化后，通过选定的通信协议发送给订阅者节点。
• 订阅者节点接收到消息后，将其反序列化，并转换成对应的ROS消息类型，以供本地处理。
• 话题订阅模型支持异步通信，即发布者和订阅者不需要同步运行。发布者可以在任何时候发布消息，而订阅者则在自己的节奏下接收和处理这些消息。

3.4 消息序列化与反序列化

ROS消息在传输之前需要进行序列化，即将消息对象转换为字节流，以便在网络中传输。接收端接收到字节流后，需要进行反序列化，即将字节流转换回原始的ROS消息对象

4. 简单通信举例

4.1 简单话题消息发布

示例代码CPP:

#include "ros/ros.h"
#include "std_msgs/String.h" //普通文本类型的消息
#include <sstream>
int main(int argc, char  *argv[]){


      //设置编码
    setlocale(LC_ALL,"");
    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
      //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);

    std_msgs::String msg;  
    //数据类型为 String

      std::string msg_front = "Hello 你好！"; //消息前缀
    int  count = 10;

     ros::Rate r(1); // 设置频率为1Hz  ,1s 一次
  
    while (ros::ok())  
    {  
        std::stringstream ss;
        ss << msg_front << count;
        msg.data = ss.str();
        pub.publish(msg);
        ros::spinOnce(); // 处理ROS回调  
        ROS_INFO("发送的消息:%s",msg.data.c_str()); //打印发送的消息
        count++;
        r.sleep(); // 根据设定的频率暂停，以确保不会执行得太快  
    }  
  
    return 0;  
}

4.2简单话题消息订阅

示例代码CPP:

#include "ros/ros.h"
#include "std_msgs/String.h"


//接受到信息的回调函数
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;

    ros::Subscriber sub = nh.subscribe<std_msgs::String>("chatter",10,doMsg);

      //     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
}

4.3CmakeLists.txt编写

add_executable(publisher
  src/publisher.cpp
)

add_executable(sub
  src/sub.cpp
)

target_link_libraries(publisher
  ${catkin_LIBRARIES}
)

target_link_libraries(sub
  ${catkin_LIBRARIES}
)

如果编译通过，但是rosrun 提示找不到节点，请检查是否有catkin_package()

find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS
  roscpp
  rospy
  std_msgs
)
catkin_package()

4.4 运行效果