ROS2-004-通信机制：话题通信

Jeacson She2024年9月19日...大约 4 分钟

简介

话题通信(Topics)是一种以发布 订阅 的方式实现不同节点之间数据传输的通信模式。数据发布对象称为发布方，数据订阅对象称之为订阅方，发布方和订阅方通过话题(Topic)相关联，发布方将消息(Message)发布在话题上，订阅方则从该话题订阅消息(Message)。因此在话题通信中，消息的流向总是单向的。

但是在话题通信中发布方与订阅方是一种多对多的关系，也就是说，话题通信的同一话题下可以存在多个发布方，也可以存在多个订阅方，这意味着数据会出现交叉传输的情况。

当然如果没有订阅方，数据传输也会出现丢失的情况。

因此，话题通信一般应用于不断更新的、少逻辑处理的数据传输场景。

消息接口

在前文的图中，我们了解到发布/订阅系节点是用消息(Message)作为信息载体进行数据传输的。而为了规范格式，消息会使用消息接口进行数据的格式定义。关于消息接口的使用有多种方式：

在ROS2中，官方通过 std_msgs 功能包提前封装了一些原生的数据类型,比如：
- String
- Int8
- Int16
- Int32
- Int64
- Float32
- Float64
- Char
- Bool
- Empty
- ......
虽然依据官方设定，这些原生数据类型也可以各自独自作为话题通信的数据载体，不过只单单使用这些数据一般只会包含一个 data 字段，结构会较为简单。而且 std_msgs 包中其他的接口文件也比较简单，而结构的单一便意味着功能上的局限性，使得当我们需要传输一些结构复杂的数据时，就会显得力不从心；
在 ROS2 中还预定义了许多标准话题消息接口，这在实际工作中有着广泛的应用，比如：
- sensor_msgs 包中定义了许多关于传感器消息相关的接口（例：雷达、摄像头、点云......）
- geometry_msgs 包中则定义了许多几何消息相关的接口（例：坐标点、坐标系、速度指令......）
- ......
如果上述接口文件都不能满足我们的需求，我们也可以自定义接口消息；

因此具体如何选型，可以根据具体情况具体分析。

话题通信的简单实现

现在，我们通过针对原生消息接口与自定义消息接口进行分别实现，以更加深入了解话题通信。

提示

在下文中为了便利，将原生消息接口的实现称为案例1，将自定义消息接口的实现称为案例2，统称为两个案例。

流程简介

两个案例实现的通用主要步骤如下：

编写发布方实现；
编写订阅方实现；
编辑配置文件；
编译；
执行。

当然案例2需要先自定义接口消息，除此之外的实现流程与案例1一致。这两个案例会采用C++和Python分别实现，且二者都遵循上述实现流程。

准备工作

终端下创建工作空间：

mkdir -p ws01_plumbing/src
cd ws01_plumbing/src
colcon build

进入工作空间的src目录:

cd src/

调用如下命令创建之后会用到的接口功能包:

ros2 pkg create --build-type ament_cmake base_interfaces_demo

调用如下两条命令分别创建C++功能包和Python功能包:

C++:

ros2 pkg create cpp01_topic --build-type ament_cmake --dependencies rclcpp std_msgs base_interfaces_demo

Python:

 ros2 pkg create py01_topic --build-type ament_python --dependencies rclpy std_msgs base_interfaces_demo

准备工作到此完毕。

接下来你便可以通过原生消息接口和自定义消息接口来分别实现话题通信了。

总结

在这一节中，我们系统的阐述了如何依据话题通信相关原理，通过自行操作，依据原生消息接口和自定义消息接口两种实现方法，实现节点之间简单的话题通信。

在VSCode中设置代码片段

当我们熟悉上述代码编写流程之后，我们会发现，除了自定义类的不同，实际上同个计算机语言内的代码结构基本相同。为了减少重复代码的编写，提升代码编写效率，我们可以在 VSCode 中设置自定义代码片段来自动为我们生成相应自定义片段。具体可参照这里。