ROS2——topic话题（八）

ROS2机器人操作系统

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前言

节点实现了机器人各种各样的功能，但这些功能并不是独立的，之间会有千丝万缕的联系，其中最重要的一种联系方式就是话题，它是节点间传递数据的桥梁。

一、topic话题

1.通信模型

以两个机器人节点为例。A节点的功能是驱动相机这个硬件设备，获取得到相机拍摄的图像信息，B节点的功能是视频监控，将相机拍摄到的图像实时显示给用户查看。此时从节点A到节点B传递图像数据的方式，在ROS中，我们就称之为话题，它作为一个桥梁，实现了节点之间某一个方向上的数据传输。

2.发布订阅模型

从话题本身的实现角度来看，使用了基于DDS的发布/订阅模型，什么叫发布和订阅呢？

话题数据传输的特性是从一个节点到另外一个节点，发送数据的对象称之为发布者，接收数据的对象称之为订阅者，每一个话题都需要有一个名字，传输的数据也需要有固定的数据类型。
怎么说呢，发布和订阅的关系就类似于，我创建了一个发布者，我把消息发布了出去，你什么订阅我不管，我反正是把消息发送到了一个频道，你订阅了变可以查看我发布的消息，同样也可以很多个人订阅。你没有订阅当然是看不到的

3.多对多通信

大家再仔细想下这些可以订阅的东西，是不是并不是唯一的，我们每个人可以订阅很多公众号、报纸、杂志，这些公众号、报纸、杂志也可以被很多人订阅，没错，ROS里的话题也是一样，发布者和订阅者的数量并不是唯一的，可以称之为是多对多的通信模型。

因为话题是多对多的模型，发布控制指令的摇杆可以有一个，也可以有2个、3个，订阅控制指令的机器人可以有1个，也可以有2个、3个，大家可以想象一下这个画面，似乎还是挺魔性的，如果存在多个发送指令的节点，建议大家要注意区分优先级，不然机器人可能不知道该听谁的了。

4.异步通信

话题通信还有一个特性，那就是异步，这个词可能有同学是第一次听说？所谓异步，只要是指发布者发出数据后，并不知道订阅者什么时候可以收到，这就叫做异步。
异步的特性也让话题更适合用于一些周期发布的数据，比如传感器的数据，运动控制的指令等等，如果某些逻辑性较强的指令，比如修改某一个参数，用话题传输就不太合适了。

5.消息结构

最后，既然是数据传输，发布者和订阅者就得统一数据的描述格式，不能一个说英文，一个理解成了中文。在ROS中，话题通信数据的描述格式称之为消息，对应编程语言中数据结构的概念。比如这里的一个图像数据，就会包含图像的长宽像素值、每个像素的RGB等等，在ROS中都有标准定义。

消息是ROS中的一种接口定义方式，与编程语言无关，我们也可以通过.msg后缀的文件自行定义，有了这样的接口，各种节点就像积木块一样，通过各种各样的接口进行拼接，组成复杂的机器人系统。

二、话题实例

1.Hello World话题通信

启动第一个终端，运行话题的发布者节点：

ros2 run learning_topic topic_helloworld_pub

启动第二个终端，运行话题的订阅者节点：

ros2 run learning_topic topic_helloworld_sub

发布者代码解析

import rclpy                                     # ROS2 Python接口库
from rclpy.node import Node                      # ROS2 节点类
from std_msgs.msg import String                  # **字符串消息类型**

"""
创建一个发布者节点
"""
class PublisherNode(Node):

    def __init__(self, name):
        super().__init__(name)                                    # ROS2节点父类初始化
        self.pub = self.create_publisher(String, "chatter", 10)   # **创建发布者对象（消息类型、话题名、队列长度）**
        self.timer = self.create_timer(0.5, self.timer_callback)  # 创建一个定时器（单位为秒的周期，定时执行的回调函数）

    def timer_callback(self):                                     # 创建定时器周期执行的回调函数
        msg = String()                                            # **创建一个String类型的消息对象**
        msg.data = 'Hello World'                                  # **填充消息对象中的消息数据**
        self.pub.publish(msg)                                     # 发布话题消息
        self.get_logger().info('Publishing: "%s"' % msg.data)     # 输出日志信息，提示已经完成话题发布

def main(args=None):                                 # ROS2节点主入口main函数
    rclpy.init(args=args)                            # ROS2 Python接口初始化
    node = PublisherNode("topic_helloworld_pub")     # 创建ROS2节点对象并进行初始化
    rclpy.spin(node)                                 # 循环等待ROS2退出
    node.destroy_node()                              # 销毁节点对象
    rclpy.shutdown()                                 # 关闭ROS2 Python接口

完成代码的编写后需要设置功能包的编译选项，让系统知道Python程序的入口，打开功能包的setup.py文件，加入如下入口点的配置：

    entry_points={
    
        'console_scripts': [
         'topic_helloworld_pub  = learning_topic.topic_helloworld_pub:main',
        ],
    },

流程总结
对以上程序进行分析，如果我们想要实现一个发布者，流程如下：

编程接口初始化
创建节点并初始化
创建发布者对象
创建并填充话题消息
发布话题消息
销毁节点并关闭接口

订阅者代码解析

import rclpy                      # ROS2 Python接口库
from rclpy.node   import Node     # ROS2 节点类
from std_msgs.msg import String   # ROS2标准定义的String消息

"""
创建一个订阅者节点
"""
class SubscriberNode(Node):

    def __init__(self, name):
        super().__init__(name)                             # ROS2节点父类初始化
        self.sub = self.create_subscription(\
            String, "chatter", self.listener_callback, 10) # 创建订阅者对象（消息类型、话题名、订阅者回调函数、队列长度）

    def listener_callback(self, msg):                      # 创建回调函数，执行收到话题消息后对数据的处理
        self.get_logger().info('I heard: "%s"' % msg.data) # 输出日志信息，提示订阅收到的话题消息

def main(args=None):                               # ROS2节点主入口main函数
    rclpy.init(args=args)                          # ROS2 Python接口初始化
    node = SubscriberNode("topic_helloworld_sub")  # 创建ROS2节点对象并进行初始化
    rclpy.spin(node)                               # 循环等待ROS2退出
    node.destroy_node()                            # 销毁节点对象
    rclpy.shutdown()                               # 关闭ROS2 Python接口

完成代码的编写后需要设置功能包的编译选项，让系统知道Python程序的入口，打开功能包的setup.py文件，加入如下入口点的配置：

    entry_points={
    
        'console_scripts': [
         'topic_helloworld_pub  = learning_topic.topic_helloworld_pub:main',
         'topic_helloworld_sub  = learning_topic.topic_helloworld_sub:main',
        ],
    },

流程总结
对以上程序进行分析，如果我们想要实现一个订阅者，流程如下：

编程接口初始化
创建节点并初始化
创建订阅者对象
回调函数处理话题数据
销毁节点并关闭接口

同样也可以用机器视觉来解释，这里就不过多赘述了，可以去看古月的视频。

2.话题命令行操作

ros2 topic list                # 查看话题列表
ros2 topic info <topic_name>   # 查看话题信息
ros2 topic hz <topic_name>     # 查看话题发布频率
ros2 topic bw <topic_name>     # 查看话题传输带宽
ros2 topic echo <topic_name>   # 查看话题数据
ros2 topic pub <topic_name> <msg_type> <msg_data>   # 发布话题消息

总结

话题通信的特性是单向传输、异步通信，适合周期性的数据传递，对于一个复杂的机器人系统来讲，这种特性肯定无法满足所有数据传输的需求.