6.3 topic in roscpp

6.3.1 Topic通信

Topic是ROS里一种异步通信的模型,一般是节点间分工明确,有的只负责发送,有的只负责接收处理。对于绝大多数的机器人应用场景,比如传感器数据收发,速度控制指令的收发,Topic模型是最适合的通信方式。

为了讲明白topic通信的编程思路,我们首先来看topic_demo中的代码,这个程序是一个消息收发的例子:自定义一个类型为gps的消息(包括位置x,y和工作状态state信息),一个node以一定频率发布模拟的gps消息,另一个node接收并处理,算出到原点的距离。 源代码见ROS-Academy-for-Beginners/topic_demo

6.3.2 创建gps消息

在代码中,我们会用到自定义类型的gps消息,因此就需要来自定义gps消息,在msg路径下创建gps.msg: 见topic_demo/msg/gps.msg

string state   #工作状态
float32 x      #x坐标
float32 y      #y坐标

以上就定义了一个gps类型的消息,你可以把它理解成一个C语言中的结构体,类似于

struct gps
{
    string state;
    float32 x;
    float32 y;
}

在程序中对一个gps消息进行创建修改的方法和对结构体的操作一样。

当你创建完了msg文件,记得修改CMakeLists.txtpackage.xml,从而让系统能够编译自定义消息。 在CMakeLists.txt中需要改动

find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS
roscpp
std_msgs
message_generation   #需要添加的地方
)

add_message_files(FILES gps.msg)  
#catkin在cmake之上新增的命令,指定从哪个消息文件生成

generate_messages(DEPENDENCIES std_msgs) 
#catkin新增的命令,用于生成消息
#DEPENDENCIES后面指定生成msg需要依赖其他什么消息,由于gps.msg用到了flaot32这种ROS标准消息,因此需要再把std_msgs作为依赖

package.xml中需要的改动

<build_depend>message_generation</build_depend>
<run_depend>message_runtime</run_depend>

当你完成了以上所有工作,就可以回到工作空间,然后编译了。编译完成之后会在devel路径下生成gps.msg对应的头文件,头文件按照C++的语法规则定义了topic_demo::gps类型的数据。

要在代码中使用自定义消息类型,只要#include <topic_demo/gps.h>,然后声明,按照对结构体操作的方式修改内容即可。

topic_demo::gps mygpsmsg;
mygpsmsg.x = 1.6;
mygpsmsg.y = 5.5;
mygpsmsg.state = "working";

6.3.3 消息发布节点

定义完了消息,就可以开始写ROS代码了。通常我们会把消息收发的两端分成两个节点来写,一个节点就是一个完整的C++程序。

topic_demo/src/talker.cpp

#include <ros/ros.h>   
#include <topic_demo/gps.h>  //自定义msg产生的头文件

int main(int argc, char **argv)
{
  ros::init(argc, argv, "talker");  //用于解析ROS参数,第三个参数为本节点名
  ros::NodeHandle nh;    //实例化句柄,初始化node

  topic_demo::gps msg;  //自定义gps消息并初始化 
   ...

  ros::Publisher pub = nh.advertise<topic_demo::gps>("gps_info", 1); //创建publisher,往"gps_info"话题上发布消息
  ros::Rate loop_rate(1.0);   //定义发布的频率,1HZ 
  while (ros::ok())   //循环发布msg
  {
    ...   //处理msg
    pub.publish(msg);//以1Hz的频率发布msg
    loop_rate.sleep();//根据前面的定义的loop_rate,设置1s的暂停
  }
  return 0;
}

机器人上几乎所有的传感器,几乎都是按照固定频率发布消息这种通信方式来传输数据,只是发布频率和数据类型的区别。

6.3.4 消息接收节点

topic_demo/src/listener.cpp

#include <ros/ros.h>
#include <topic_demo/gps.h>
#include <std_msgs/Float32.h>

void gpsCallback(const topic_demo::gps::ConstPtr &msg)
{  
    std_msgs::Float32 distance;  //计算离原点(0,0)的距离
    distance.data = sqrt(pow(msg->x,2)+pow(msg->y,2));
    ROS_INFO("Listener: Distance to origin = %f, state: %s",distance.data,msg->state.c_str()); //输出
}

int main(int argc, char **argv)
{
  ros::init(argc, argv, "listener");
  ros::NodeHandle n;
  ros::Subscriber sub = n.subscribe("gps_info", 1, gpsCallback);  //设置回调函数gpsCallback
  ros::spin(); //ros::spin()用于调用所有可触发的回调函数,将进入循环,不会返回,类似于在循环里反复调用spinOnce() 
  //而ros::spinOnce()只会去触发一次
  return 0;
}

在topic接收方,有一个比较重要的概念,就是回调(CallBack),在本例中,回调就是预先给gps_info话题传来的消息准备一个回调函数,你事先定义好回调函数的操作,本例中是计算到原点的距离。只有当有消息来时,回调函数才会被触发执行。具体去触发的命令就是ros::spin(),它会反复的查看有没有消息来,如果有就会让回调函数去处理。

因此千万不要认为,只要指定了回调函数,系统就回去自动触发,你必须ros::spin()或者ros::spinOnce()才能真正使回调函数生效。

6.3.5 CMakeLists.txt文件修改

CMakeLists.txt添加以下内容,生成可执行文件

add_executable(talker src/talker.cpp) #生成可执行文件talker
add_dependencies(talker topic_demo_generate_messages_cpp)
#表明在编译talker前,必须先生编译完成自定义消息
#必须添加add_dependencies,否则找不到自定义的msg产生的头文件
#表明在编译talker前,必须先生编译完成自定义消息
target_link_libraries(talker ${catkin_LIBRARIES}) #链接

add_executable(listener src/listener.cpp ) #声称可执行文件listener
add_dependencies(listener topic_demo_generate_messages_cpp)
target_link_libraries(listener ${catkin_LIBRARIES})#链接

以上cmake语句告诉catkin编译系统如何去编译生成我们的程序。这些命令都是标准的cmake命令,如果不理解,请查阅cmake教程。

之后经过catkin_make,一个自定义消息+发布接收的基本模型就完成了。

扩展:回调函数与spin()方法

回调函数在编程中是一种重要的方法,在维基百科上的解释是:

In computer programming, a callback is any executable code that is passed as an argument to other code, which is expected to call back (execute) the argument at a given time.

回调函数作为参数被传入到了另一个函数中(在本例中传递的是函数指针),在未来某个时刻(当有新的message到达),就会立即执行。Subscriber接收到消息,实际上是先把消息放到一个队列中去,如图所示。队列的长度在Subscriber构建的时候设置好了。当有spin函数执行,就会去处理消息队列中队首的消息。

spin具体处理的方法又可分为阻塞/非阻塞,单线程/多线程,在ROS函数接口层面我们有4种spin的方式:

spin方法 阻塞 线程
ros::spin() 阻塞 单线程
ros::spinOnce() 非阻塞 单线程
ros::MultiThreadedSpin() 阻塞 多线程
ros::AsyncMultiThreadedSpin() 非阻塞 多线程

阻塞与非阻塞的区别我们已经讲了,下面来看看单线程与多线程的区别:

我们常用的spin()spinOnce()是单个线程逐个处理回调队列里的数据。有些场合需要用到多线程分别处理,则可以用到MultiThreadedSpin()AsyncMultiThreadedSpin()

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