ROS通信机制-优快云博客

机器人系统大多数都是多功能的集合体，而每一个功能都可以定义为一个单独的进程，每一个进程都是独立运行的。采用进程的分布式框架，可以在提高不同功能的协同性的同时分散计算压力。而不同进程之间就是靠通信机制做数据交换的。ROS中的基本通信机制有三种实现策略：

话题通信（发布-订阅模式）
服务通信（请求-响应模式）
参数服务器（参数共享模式）

一、话题通信

1.概念及应用场景

以激光雷达信息的采集处理为例，在ROS中需要有一个节点实时发布雷达采集到的数据，而导航模块中就需要有一个节点订阅并解析该雷达数据。话题通信主要是用于连续高频、少逻辑处理的数据传输场景，属于多对多的异步通信。

2.整体架构

话题通信模型主要是由三个角色组成，分别是管理者、发布者、订阅者。不走底层逻辑，浅层理解的话，就是①发布者和订阅者要先向管理者注册自己的信息，让发布者和订阅者能够互相找到对方；②发布者开通某个话题，并在话题上发布信息（不用在乎谁是订阅者，发就是了）；③订阅者打开这个对应的这个话题，就能收到信息了（不用在乎是谁发的，收就是了）。

3.主要API（C++）

创建发布者/订阅者对象

// 发布者对象
ros::Publisher pub = nh.advertise<std_msgs::String>("chatter",10);
// 订阅者对象
ros::Subscriber sub = nh.subscribe<std_msgs::String>("chatter",10,doMsg);

该函数创建一个名为 发布者对象，用于向 ROS 网络中的 chatter 话题（Topic） 发送 std_msgs::String 类型 的消息。

ros::Publisher：
ROS 中的一个类，代表 “发布者”—— 用于向 ROS 话题发送消息的对象。
pub：
自定义的变量名，代表这个发布者对象（可以任意命名，比如 chatter_pub）。
nh：
一个 ros::NodeHandle 类型的对象（通常称为 “节点句柄”），是 ROS 节点与系统交互的接口，用于创建发布者、订阅者等。
nh.advertise(...)：
调用节点句柄的 advertise 方法，用于 “宣告”（注册）一个发布者。其作用是告诉 ROS 系统：“我要向某个个话题题发送某种类型的消息”。
std_msgs::String：
指定发布的消息类型 —— 这里是 ROS 标准消息息库中的 String 类型（字符串消息）。ROS 中有很多预定义的消息类型（如整数、点坐标等），也可以自定义。
"chatter"：
指定要发布的 话题名称（Topic Name）。ROS 中，消息通过 “话题” 进行传递，订阅者（Subscriber）需要订阅相同的话题才能收到消息（类似广播的频道名）。
10：
消息队列长度（Queue Size）。当发布消息的速度超过接收速度时，ROS 会缓存最多 10 条消息，超出的会被丢弃，用于防止内存溢出。

创建要发送的消息变量

std_msgs::String msg;
msg.data = "Hello！！！";

话题中要用到的消息类型是std_msgs::String，故定义该类型的变量，并填充内容。如果要发送的消息内容过于复杂，也可以封装成msg文件，定义要发送的消息中的变量类型和变量名称：

string name
uint16 age
float64 height

发布方发布消息API

pub.publish(msg);

二、服务通信

1、概念及应用场景

服务通信属于异步通信，是基于请求-响应模式的一种应答机制。一个节点A向另外一个节点B发送请求，B接收处理请求并产生响应结果返回给A。实际应用中，比如机器人前进过程中，控制节点向激光雷达节点请求告知距离，激光雷达节点收到并处理请求，将距离信息返回控制节点。服务通信更适用于对实时性有要求、具有一定逻辑处理的应用场景。

2、整体架构

服务通信主要涉及到三个角色：管理者、服务端、客户端。管理者负责保管服务端和客户端注册的信息，并匹配话题相同的服务端与客户端，帮助服务端与客户端建立联系。客户端发送请求信号，服务端返回相应信息。

3、主要API（C++）

srv文件

与话题通信中的msg文件类似，在使用服务通信的时候需要定义一个srv文件，来装载客户端发送请求的数据类型和变量名+服务端响应时发送的数据类型和变量名，请求和响应两部分之间一定要用‘---’隔开。

# 客户端请求时发送的两个数字
int32 num1
int32 num2
---
# 服务器响应发送的数据
int32 sum

创建服务端对象

//创建服务端对象
ros::ServiceServer server = nh.advertiseService("AddInts",doReq);
//创建客户端对象
ros::ServiceClient client = nh.serviceClient<包名::srv文件名>("AddInts");

创建一个服务服务器，用于响应 ROS 网络中名为 AddInts 的服务请求，并指定由 doReq 函数处理具体的请求逻辑。

ros::ServiceServer：
ROS 中的类，代表 “服务服务器” 对象，用于接收客户端的服务请求并返回响应。
server：
自定义的变量名，指代这个服务服务器对象（可任意命名，如 add_server）。
nh：
ros::NodeHandle 类型的节点句柄（同之前的发布者逻辑），是与 ROS 系统交互的接口。
nh.advertiseService(...)：
节点句柄的方法，用于 “宣告” 一个服务服务器，告诉 ROS 系统：“我提供名为 AddInts 的服务，由 doReq 函数处理请求”。
"AddInts"：
服务的名称（类似话题话题名），客户端需要通过这个名称找到对应的服务服务器。
doReq：
回调函数（处理函数）的名称，当有客户端发送服务请求时，ROS 会自动调用这个函数来处理请求并生成响应。

回调函数

回调函数就是在服务端收到请求时会自动处理的函数，形参就是在当前工具包->刚才定义的srv文件名->req/resp，分别对应刚才srv文件中的请求和响应两部分。

// bool 返回值由于标志是否处理成功
bool doReq(包名::srv文件名::Request& req,
          包名::srv文件名::Response& resp){
    int num1 = req.num1;
    int num2 = req.num2;

    ROS_INFO("服务器接收到的请求数据为:num1 = %d, num2 = %d",num1, num2);

    //逻辑处理
    if (num1 < 0 || num2 < 0)
    {
        ROS_ERROR("提交的数据异常:数据不可以为负数");
        return false;
    }

    //如果没有异常，那么相加并将结果赋值给 resp
    resp.sum = num1 + num2;
    return true;
}

三、参数服务器

1、概念及应用场景

参数服务器在ROS中主要用于实现不同节点之间的数据共享。参数服务器相当于是独立于所有节点的一个公共容器，可以将数据存储在该容器中，被不同的节点调用，当然不同的节点也可以往其中存储数据。

2、整体架构

参数服务器主要由三个部分组成：管理者、参数设置者、参数调用者。管理者作为一个公共容器保存参数，参数设置者可以向容器中设置参数，参数调用者可以获取参数。

3、主要API（C++）

通过节点修改参数

ros::NodeHandle nh;
nh.setParam("nh_int",10); //整型
nh.setParam("nh_double",3.14); //浮点型
nh.setParam("nh_bool",true); //bool
nh.setParam("nh_string","hello NodeHandle"); //字符串
nh.setParam("nh_vector",stus); // vector
nh.setParam("nh_map",friends); // map

//修改演示(相同的键，不同的值)
nh.setParam("nh_int",10000);

全局参数

ros::param::set("param_int",20);
ros::param::set("param_double",3.14);
ros::param::set("param_string","Hello Param");
ros::param::set("param_bool",false);
ros::param::set("param_vector",stus);
ros::param::set("param_map",friends);

//修改演示(相同的键，不同的值)
ros::param::set("param_int",20000);

四.CMakeList.txt中配置函数

1.add_executable编译源代码为可执行文件

add_executable(要生成的可执行文件的名称 src/源代码文件.cpp)

2.add_dependencie指定编译依赖

add_dependencies(必须和add_executable中定义的可执行文件名称完全一致 ${PROJECT_NAME}_gencpp)，第二个参数的作用是告诉CMake，编译可执行文件之前，必须先完成消息生成的任务。

3.target_link_libraries链接ROS库

可执行文件名称也还是必须和add_executable中定义的可执行文件名称完全一

//编译源代码为可执行文件
add_executable(AddInts_Server src/AddInts_Server.cpp)
add_executable(AddInts_Client src/AddInts_Client.cpp)

//指定编译依赖
add_dependencies(AddInts_Server ${PROJECT_NAME}_gencpp)
add_dependencies(AddInts_Client ${PROJECT_NAME}_gencpp)

//链接ROS库
target_link_libraries(AddInts_Server
  ${catkin_LIBRARIES}
)
target_link_libraries(AddInts_Client
  ${catkin_LIBRARIES}
)