ROS 话题Topic_ros发布话题

1 背景知识

1.1 话题是什么

  ROS程序由多个功能组成；一个功能由多个节点完成；各节点的功能独立，节点与节点间通过不同的通信方式，实现数据的传输，完成功能。即总功能由分功能组成，各分功能由节点的子功能及节点间的通信完成。
  话题是一种节点与节点间进行一对多、单向传输的数据通信方式，数据通过话题的发布与订阅实现传送。

1.2 话题的通信机制

  参与节点及节点功能：

   1. 发布者节点Talker： 发布话题。
   2. 订阅者节点Listener： 订阅话题。
   3. 节点管理器ROS Master：保管节点注册信息，匹配话题的订阅者和发布者，并帮助订阅者和发布者的建立连接。

  通信过程如下：

  七步骤如下：

1.3 话题的特点

• 一个话题可以有多个订阅者；一个订阅者可以订阅多个话题，一个发布者也可以发布多个话题。实现一对一、一对多、多对多的通信网络 。
• 话题是一种异步通信方式。话题的发布者只发布话题，发布完成立马返回；话题订阅者收到话题后，通过回调函数处理话题发送的消息。

1.4 验证

  打开一终端

$ roscore
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  打开另一终端

$ rosrun turtlesim turtlesim_node
[ INFO] [1679577658.273288946]: Starting turtlesim with node name /turtlesim
[ INFO] [1679577658.283734154]: Spawning turtle [turtle1] at x=[5.544445], y=[5.544445], theta=[0.000000]
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  再启另一终端

$ rosrun turtlesim turtle_teleop_key
Reading from keyboard
---------------------------
Use arrow keys to move the turtle. 'q' to quit.
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  此时，通过输入四个方向键可以使乌龟动起来。
  再启另一终端：

$ rosrun rqt_graph rqt_graph
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rqt_graph：图形化的工具，画出正在发布主题和订阅的关系图

  再启另一终端：

$ rostopic info /turtle1/cmd_vel 
Type: geometry_msgs/Twist

Publishers: 
 * /teleop_turtle (http://ubuntu:45347/)

Subscribers: 
 * /turtlesim (http://ubuntu:39403/)

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  上述终端中的信息可以看出， /teleop_turtle节点发布话题 /turtle1/cmd_vel ，/turtlesim节点订阅话题 /turtle1/cmd_vel，但话题名上看不出传递了什么信息。
  话题要实现信息传递，实际上是通过话题下的消息message，例如：话题/turtle1/cmd_vel的消息是[geometry_msgs/Twist] ，话题和消息的关系可以类比成报纸和报纸上的内容。
  话题的消息数据类型是根据需要决定的。查看消息[geometry_msgs/Twist] 传递数据：

$ rosmsg show geometry_msgs/Twist
        geometry_msgs/Vector3 linear
          float64 x
          float64 y
          float64 z
        geometry_msgs/Vector3 angular
          float64 x
          float64 y
          float64 z
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  上述过程验证了节点Node通过发布和订阅Topic实现信息的传递。

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前提：ROS 创建工作空间和软件包
  当前所处软件包为beginner_tutorials，该软件包的文件系统结构如下图：

2 自定义消息

  话题消息的数据结构：为单个数据结构。即由一组字段定义，字段间的顺序无关紧要。

一个字段由类型和名称组成，一个字段的结构：<type>空格<name> = <value>

<type>字段的类型：数据类型 + 数组说明符[]（可选）
        →数据类型：内置类型 或者 非内置类型
        →数组说明符[]：有界[N] 或者 无界[]

<name> 字段的名称： 由小写字母、数字、下划线组成

= <value>字段值：可选， ROS1中表明该字段是常量

#注释

  自定义话题消息文件的后缀为.msg，消息名称与软件包名的组合实现唯一标识消息。

2.1 创建msg文件夹（专放消息）， 并编辑Example.msg 文件**

$ roscd beginner_tutorials        
$ mkdir msg                       
$ cd msg
$ touch Example.msg   
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  编辑Example.msg 文件

int64 num              #内置类型
std_msgs/String str2   #ROS其他消息包
char[]  ch             #数组
string str1 = "hello"   #常量，此行的注释在实例时不要添加，会被认为是字符串内容
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2.2 添加msg依赖

  编辑 ‘软件包’ 下的package.xml 文件(修改后)

#下面两行取消注释，不存在，则添加
<build_depend>message_generation</build_depend>
<exec_depend>message_runtime</exec_depend>

# <build_depend>  编译时的依赖
#  <exec_depend>  运行时的依赖
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  编辑‘软件包’ 下CMakeLists.txt 文件(修改后)

# 需添加部分1：添加消息生成依赖
find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS
   .......   
   message_generation
)

# 需添加部分2 ：添加运行时依赖关系
catkin_package(
  ...
  CATKIN_DEPENDS message_runtime ...
  ...)
  
# 需修改部分3：     
#            1)删除前面的# 符号  
#            2)替换Message1.msg，Message2.msg 为 Example.msg     
 add_message_files(
  FILES
  Example.msg   
 )

# 需修改部分4： 删除前面的# 符号 ，int64是规定的ros标准消息类型，属于消息包std_msgs
generate_messages(
  DEPENDENCIES
  std_msgs
)
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  查看消息是否创建成功：

$ rosmsg show beginner_tutorials/Example 
string str1="hello"
int64 num
std_msgs/String str2
  string data
char[] ch
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  std_msgs/String是ROS的标准数据包。

2.3 编译，使.msg能被转换为C++、Python和其他语言的源代码

  要使用自定义消息，需将.msg 文件编译为 .h 文件，再引入到程序中 。

$ cd ~/catkin_ws
$ catkin_make
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  编译后，生成相应的Example.h。
  Example.h头文件位置在：
           ./devel/include/beginner_tutorials/Example.h

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3 编辑发布者

1. 初始化节点(命名，唯一) 。
2. 实例化句柄 。
3. 实例化发布者对象，发布的话题及话题的消息数据。
4. 组织发布的数据。
5. 编译。

3.1 编辑talker.cpp

  在软件包的src文件中，创建talker.cpp文件。

$ touch talker.cpp
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  编辑talker.cpp文件：

#include "ros/ros.h" 
#include "beginner_tutorials/Example.h"  //自定义消息包

 int main(int argc, char **argv)
 {

    ros::init(argc, argv, "talker");//初始化节点，标识"listener"的节点名, 需唯一

    ros::NodeHandle n;//初始化句柄

    ros::Publisher chatter_pub = n.advertise<beginner_tutorials::Example>("chatter", 1000);
	//定义发布者，发布话题"chatter"                          
    ros::Rate loop_rate(10);

    beginner_tutorials::Example example; //定义消息对象，以组织发布的数据
    int count = 0;
    while (ros::ok())
    {
		example.str2.data = "talker";
      	example.num = count;
      	example.ch.push_back('A');
		ROS_INFO(" %s say :%s, the %c part is %ld ",   example.str2.data.c_str(),  example.str1.c_str(), example.ch.at(0), example.num);
		++count;
		
		chatter_pub.publish(example); //发布话题
		ros::spinOnce();
		loop_rate.sleep();
    }
    return 0;
  }
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3.2 编译，生成可执行文件

  编辑CMakeLists.txt，增添内容：

#生成可执行文件
add_executable(listener src/listener_msg.cpp)
#需要连接的库
target_link_libraries(listener ${catkin_LIBRARIES})
#需要的依赖
add_dependencies(listener ${${PROJECT_NAME}_EXPORTED_TARGETS} ${catkin_EXPORTED_TARGETS})
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  在工作空间下编译,生成可执行文件。

$ cd catkin_ws
$ catkin_make
$ source ./devel/setup.bash
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  可执行文件放置于：devel/lib/beginner_tutorials

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4 编辑订阅者

1. 初始化节点(命名，唯一) 。
2. 实例化句柄 。
3. 实例化订阅者对象，订阅的话题，处理话题消息的回调函数。
4. 定义处理订阅的消息(回调函数)。
5. 设置循环，以调用回调函数。
6. 编译。

4.1 编辑listener.cpp

  在软件包的src文件中，创建listener.cpp

$ touch listener.cpp
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  编辑 listener.cpp

# include "ros/ros.h"
#include "beginner_tutorials/Example.h"   //自定义消息

//回调函数：处理订阅消息
void chatterCallback(const beginner_tutorials::Example::ConstPtr& msg)
{
        ROS_INFO("listener get the value is : [%ld]", msg->num);
}


int main(int argc, char **argv)
{

        ros::init(argc, argv, "listener");//初始化节点，标识"listener"的节点名, 需唯一

        ros::NodeHandle n; //初始化句柄

        ros::Subscriber sub = n.subscribe("chatter", 1000, chatterCallback);
        //定义订阅者，订阅话题"chatter"，绑定回调函数

        ros::spin();//设置循环，调用回调函数

        return 0;
}

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回调函数的要求：

1. 参数只能有一个且必须以const修饰
2. 参数类型为xxxConstPtr
3. 参数为引用传递
4. 函数没有返回值

4.2 编译，生成可执行文件

  编辑CMakeLists.txt，增添内容：

add_executable(talker src/talker_msg.cpp)
target_link_libraries(talker ${catkin_LIBRARIES})
add_dependencies(talker ${${PROJECT_NAME}_EXPORTED_TARGETS} ${catkin_EXPORTED_TARGETS})
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  在工作空间下编译, 生成可执行文件。

$ cd catkin_ws
$ catkin_make
$ source ./devel/setup.bash
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  可执行文件放置于：devel/lib/beginner_tutorials

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5 验证

  打开终端,运行roscore。

$ roscore 
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  另起终端，先运行订阅者listener节点。

$ rosrun beginner_tutorials listener
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  再另起终端，运行发布者talker节点

$ rosrun beginner_tutorials talker
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  结果：
 

当前软件包的文件系统结构：（红框为当前教程新增）

6 总结

6.1 ros指令总结：

roscore 运行节点管理器

rosrun <package_name> <node_Name> ： 运行软件包的节点

rospack info <topic_name> ：打印有关活动主题的详细信息

rosmsg info <package_name>/<\message_name> ： 打印与话题相关的发布者订阅者信息
rosmsg show <package_name>/<\message_name> ： 查看话题的消息

6.2 核心函数：