ros三大通信方式总结

ROS 中的三种通信方式（Topic、Service、Action），包括它们使用的通信文件、代码示例、区别和使用场景。

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1. Topic（话题）

• 通信方式: 单向通信，类似于广播。
• 通信文件: .msg 文件。
• 工作原理:
  • 发布者（Publisher）发布消息到 Topic。
  • 订阅者（Subscriber）从 Topic 接收消息。
• 特点:
  • 单向传输，没有返回值。
  • 适合持续的数据流（如传感器数据）。
• 代码示例:

  # Publisher
  import rospy
  from std_msgs.msg import String
  
  rospy.init_node('publisher_node')
  pub = rospy.Publisher('chatter', String, queue_size=10)
  rate = rospy.Rate(1)  # 1Hz
  while not rospy.is_shutdown():
      pub.publish("Hello, World!")
      rate.sleep()
  
  # Subscriber
  def callback(msg):
      rospy.loginfo("I heard: %s", msg.data)
  
  rospy.init_node('subscriber_node')
  rospy.Subscriber('chatter', String, callback)
  rospy.spin()
  

• 使用场景:
  • 传感器数据（如激光雷达、摄像头数据）。
  • 机器人状态信息（如位置、速度）。
  • 任何需要持续传输数据的场景。

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2. Service（服务）

• 通信方式: 双向通信，类似于函数调用。
• 通信文件: .srv 文件。
• 工作原理:
  • 客户端（Client）发送请求。
  • 服务器（Server）处理请求并返回响应。
• 特点:
  • 一次性请求/响应。
  • 适合短时间任务调用。
• 代码示例:

  # Server
  import rospy
  from example_srv.srv import AddTwoInts, AddTwoIntsResponse
  
  def handle_add(req):
      return AddTwoIntsResponse(req.a + req.b)
  
  rospy.init_node('add_two_ints_server')
  rospy.Service('add_two_ints', AddTwoInts, handle_add)
  rospy.spin()
  
  # Client
  import rospy
  from example_srv.srv import AddTwoInts, AddTwoIntsRequest
  
  rospy.init_node('add_two_ints_client')
  rospy.wait_for_service('add_two_ints')
  add_two_ints = rospy.ServiceProxy('add_two_ints', AddTwoInts)
  req = AddTwoIntsRequest(a=1, b=2)
  resp = add_two_ints(req)
  rospy.loginfo("Sum: %d", resp.sum)
  

• 使用场景:
  • 执行简单任务（如加法计算）。
  • 调用某个功能（如开关设备）。
  • 任何需要请求-响应模式的场景。

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3. Action（动作）

• 通信方式: 双向通信 + 实时反馈。
• 通信文件: .action 文件。
• 工作原理:
  • 客户端（Client）发送目标（Goal）。
  • 服务器（Server）执行任务，并实时发送反馈（Feedback）。
  • 任务完成后，服务器返回结果（Result）。
• 特点:
  • 支持长时间任务。
  • 支持任务取消和实时反馈。
• 代码示例:

  # Action Server
  import rospy
  import actionlib
  from example_action.msg import FibonacciAction, FibonacciFeedback, FibonacciResult
  
  def execute_cb(goal):
      feedback = FibonacciFeedback()
      result = FibonacciResult()
      sequence = [0, 1]
      for i in range(1, goal.order):
          sequence.append(sequence[i] + sequence[i-1])
          feedback.sequence = sequence
          server.publish_feedback(feedback)
      result.sequence = sequence
      server.set_succeeded(result)
  
  rospy.init_node('fibonacci_server')
  server = actionlib.SimpleActionServer('fibonacci', FibonacciAction, execute_cb, False)
  server.start()
  rospy.spin()
  
  # Action Client
  import rospy
  import actionlib
  from example_action.msg import FibonacciAction, FibonacciGoal
  
  def feedback_cb(feedback):
      rospy.loginfo("Feedback: %s", feedback.sequence)
  
  rospy.init_node('fibonacci_client')
  client = actionlib.SimpleActionClient('fibonacci', FibonacciAction)
  client.wait_for_server()
  goal = FibonacciGoal(order=10)
  client.send_goal(goal, feedback_cb=feedback_cb)
  client.wait_for_result()
  rospy.loginfo("Result: %s", client.get_result())
  

• 使用场景:
  • 长时间任务（如导航、路径规划）。
  • 需要实时反馈的任务（如机器人移动中的位置反馈）。
  • 支持任务取消的场景。

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对比总结

特性	Topic (msg)	Service (srv)	Action (action)
通信模式	单向（发布/订阅）	双向（请求/响应）	双向（Goal/Result） + 反馈（Feedback）
实时性	持续数据流	一次性请求/响应	长时间任务 + 实时反馈
是否支持反馈	不支持	不支持	支持
是否支持取消	不支持	不支持	支持
适用场景	传感器数据、状态信息	简单任务调用	复杂任务（如导航、抓取）

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通俗解释

• Topic：就像广播电台，发布者不断发送消息，订阅者只能听，不能回复。
• Service：就像打电话，客户端打电话给服务器，服务器接电话并回复。
• Action：就像点外卖，客户端下单（Goal），商家实时更新配送进度（Feedback），最后送到家（Result）。如果不想等了，还可以取消订单（Cancel）。

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在进行ros通信时，需要首先定义消息文件，即.msg .srv .action文件，里面储存着消息的格式，在实际开发中需要我们设计消息的结构体，部署到项目代码中

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一、自定义消息开发的通用注意事项

1. 语义清晰性

• 字段命名：避免歧义，直接表达意图（如 target_pose 而非 goal，obstacle_distance 而非 distance）。
• 单位统一：明确标注单位（如 meters、radians、seconds），避免混合单位导致计算错误。
• 状态枚举：使用 uint8 + 常量定义状态（如 SUCCESS=0, FAILURE=1），而非纯数字。

2. 数据结构优化

• 复用标准消息：优先使用 geometry_msgs、std_msgs 等ROS内置类型（如 Point、Quaternion）。
• 避免冗余数据：

  # 反面案例：重复传输坐标系信息
  x = float32  # 在 map 坐标系下
  y = float32  # 在 map 坐标系下
  frame_id = string  # 冗余，header 中已包含
  
  # 优化方案：使用 PoseStamped
  header = Header
  pose = Pose
  

• 数组长度控制：若数据量过大（如点云），使用分片（chunked）或压缩格式（如 sensor_msgs/CompressedImage）。

3. 兼容性与版本管理

• 字段增删规则：仅允许向后兼容的修改（新增字段必须带默认值，禁止删除或修改现有字段）。
• 语义版本号：遵循 MAJOR.MINOR.PATCH，破坏性变更需升级 MAJOR 版本（如 PathV1.msg → PathV2.msg）。
• 弃用策略：通过文档标注弃用字段，逐步迁移而非强制删除。

4. 性能与效率

• 零拷贝设计：在C++中使用 const& 或 shared_ptr 避免数据复制。
• 紧凑数据布局：避免嵌套过深的消息结构（如多层 Array 嵌套）。
• 二进制兼容性：确保消息序列化后在不同平台（x86/ARM）解析一致。

5. 可扩展性

• 预留扩展字段：添加 metadata（如 string json_metadata）存储自定义参数。
• 位掩码标记：使用 uint8 flags + 位运算表示多个布尔状态（如 FLAG_EMERGENCY=0x01）。

6. 文档与测试

• 必含注释：每个字段需说明用途、单位、取值范围（如 # Range: [0.0, 1.0]）。
• 示例消息：在文档中提供典型场景的 .msg 文件示例。
• 兼容性测试：验证新旧版本消息的序列化/反序列化兼容性。

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二、典型机器人业务与优秀消息设计案例

1. 导航与路径规划

• 典型消息：nav_msgs/Path
  • 结构：Header + geometry_msgs/PoseStamped[] poses
  • 优点：
    • 复用 PoseStamped 包含时间戳和坐标系
    • 路径点序列清晰，支持插值算法
  • 扩展设计：可添加 velocity_profile 数组表示速度建议。

2. 机械臂控制

• 典型消息：trajectory_msgs/JointTrajectory
  • 结构：Header + string[] joint_names + JointTrajectoryPoint[] points
  • 优点：
    • 动态绑定关节名与轨迹点，支持不同机械臂
    • 每个轨迹点包含位置、速度、加速度、时间戳
  • 扩展设计：添加 torque_profile 表示力矩约束。

3. SLAM与地图构建

• 典型消息：nav_msgs/OccupancyGrid
  • 结构：Header + MapMetaData + int8[] data
  • 优点：
    • 使用一维数组存储二维栅格地图，内存紧凑
    • MapMetaData 包含分辨率、原点，支持坐标转换
  • 扩展设计：添加 probability 字段表示置信度。

4. 多传感器融合

• 典型消息：sensor_msgs/PointCloud2
  • 结构：Header + uint32 height/width + PointField[] fields + uint8[] data
  • 优点：
    • 支持灵活的点云格式（XYZ、RGB、强度等）
    • 通过 fields 动态描述数据布局，兼容不同激光雷达
  • 扩展设计：结合 CompressedImage 实现压缩传输。

5. 任务调度与状态监控

• 典型消息：actionlib_msgs/GoalStatus
  • 结构：uint8 status + string text + GoalID goal_id
  • 优点：
    • 状态码标准化（SUCCEEDED、ABORTED）
    • 通过 text 提供人类可读的调试信息

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三、优秀设计的核心原则总结

设计维度	优秀实践	反面案例
字段命名	target_joint_angles	data_array
数据结构	使用 PoseStamped 替代独立 x, y, theta	重复定义坐标系
性能优化	分片传输点云（chunked）	单消息传输10万个点
兼容性	新增 optional_field 并设置默认值	删除旧字段 required_field
文档	提供字段取值范围（如 # Range: [0, 100]）	无注释或仅写“速度值”

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四、最佳实践工具链

1. 消息验证工具：使用 rosmsg 检查消息结构，或自定义脚本验证数据合法性。
2. IDL转换工具：通过 rosidl 生成不同语言的消息代码，或转换为 Protobuf/JSON。
3. 性能分析：用 rostopic bw 监控消息带宽，用 rqt_plot 可视化实时数据。

通过以上设计原则和典型案例，开发者可以构建高鲁棒性、高效且易维护的ROS消息接口，满足复杂机器人系统的长期需求。