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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。
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。
大家可以想一下,这两个节点是不是必然存在某种关系?没错,节点A要将获取的图像数据传输给节点B,有了数据,节点B才能做这样可视化的渲染。
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。
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。
打一个比方,大家平时应该也会看微信公众号,比如有一个公众号,它的名字叫做“古月居”,这个古月居就是话题名称,公众号的发布者是古月居的小编,他会把组织好的机器人知识排版成要求格式的公众号文章,发布出去,这个文章格式,就是话题的数据类型。如果大家对这个话题感兴趣,就可以订阅“古月居”,成为订阅者之后自然就可以收到古月居的公众号文章,没有订阅的话,也就无法收到。
类似这样的发布/订阅模型在生活中随处可见,比如订阅报纸、订阅杂志等等。
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。
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,类似古月居公众号发布一篇文章,你什么时候阅读的,古月居根本不知道,报社发出一份报纸,你什么时候收到,报社也是不知道的。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。
消息接口
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。
案例一:Hello World话题通信
了解了话题的基本原理,接下来我们就要开始编写代码啦。
还是从Hello World例程开始,我们来创建一个发布者,发布话题“chatter”,周期发送“Hello World”这个字符串,消息类型是ROS中标准定义的String,再创建一个订阅者,订阅“chatter”这个话题,从而接收到“Hello World”这个字符串。
运行效果
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
可以看到发布者循环发布“Hello World”字符串消息,订阅者也以几乎同样的频率收到该话题的消息数据。
发布者代码解析
我们来看下发布者的实现方法。