ROS机器人编程＜六＞：了解ROS系统及使用VScode实现话题通信（C++）

话题通信是ROS（Robot Operating System，机器人操作系统）中使用频率最高的一种通信模式，话题通信是基于发布与订阅模式的通信方式，其中一个节点（发布者）发布消息，而另一个或多个节点（订阅者）订阅并接收这些消息。发布者和订阅者通过共同的话题（Topic）建立联系，实现数据的传输与交流。话题通信的应用场景也极其广泛，像雷达、摄像头、GPS.... 等等一些传感器数据的采集，也都是使用了话题通信，换言之，话题通信适用于不断更新的数据传输相关的应用场景。

2.核心要素

发布方（Talker）：负责发布消息的节点，它将数据发布到特定的话题上。

订阅方（Listener）：负责订阅并接收来自特定话题的消息的节点。

话题（Topic）：发布方和订阅方之间建立联系的桥梁，是数据传输的通道。

3.工作流程

话题通信的工作流程通常包括以下几个步骤：

发布者注册：发布者启动后，会在ROS Master（管理者）中注册自身信息，包括所发布消息的话题名称和远端调用地址（RPC）。ROS Master会将节点的注册信息加入到注册表中。
订阅者注册：订阅者也会通过RPC在 ROS Master 中注册自身信息自己的话题。
匹配与连接：ROS Master会将订阅者与发布者的话题进行对比，发现有匹配的两者时，会把发布者的RPC地址发送给订阅者。订阅者根据RPC地址远程访问发布者，获取发布者的TCP地址，并建立连接。
消息发布与接收：建立连接后，发布者可以发布消息，这些消息会被订阅者接收并处理。
Listener向Talker发送请求：Listener 根据接收到的 RPC 地址，通过 RPC 向 Talker 发送连接请求，传输订阅的话题名称、消息类型以及通信协议(TCP/UDP)。
Talker确认请求：Talker 接收到 Listener 的请求后，也是通过 RPC 向 Listener 确认连接信息，并发送自身的 TCP 地址信息。
Listener与Talker件里连接：Listener 根据步骤6返回的消息使用 TCP 与 Talker 建立网络连接。
Talker向Listener发送消息：连接建立后，Talker 开始向 Listener 发布消息。

4.消息接口与数据类型

在ROS中，话题通信的消息接口和数据类型具有多样性。ROS2通过std_msgs包封装了一些原生的数据类型，如String、Int8、Int16等，这些数据类型可以作为话题通信的载体。此外，ROS2还预定义了许多标准话题消息接口，如sensor_msgs包中定义了关于传感器消息的接口，geometry_msgs包中定义了关于几何消息相关的接口。当这些预定义的消息接口无法满足需求时，用户还可以自定义接口消息。

二、vscode实现话题通信

按照之前的教程，直接打开test02_ws的vscode

cd test02_ws
code .

三、C++实现话题通信

要求：编写发布订阅实现，要求发布方以10HZ(每秒10次)的频率发布文本消息，订阅方订阅消息并将消息内容打印输出

1.在功能包下的src文件夹下新建文件，分别命名为：hello_pub.cpp及hello_sub.cpp

2.hello_pub.cpp为发布者，循环发布信息:HelloWorld 后缀数字编号

3. 实现流程:

发布者：

（1）包含头文件

（2）初始化 ROS 节点:命名(唯一)

（3）实例化 ROS 句柄

（4）实例化发布者对象

（5）组织被发布的数据，并编写逻辑发布数据

订阅者：

（1）包含头文件

（2）初始化 ROS 节点:命名(唯一)

（3）实例化 ROS 句柄

（4）实例化订阅者对象

（5）处理订阅的消息(回调函数)

（6）设置循环调用回调函数

4.发布者代码：

#include "ros/ros.h" // 引入ROS的核心头文件  
#include "std_msgs/String.h" // 引入标准消息类型中的字符串消息  
#include <sstream> // 引入字符串流库，用于字符串拼接  
  
int main(int argc, char  *argv[])  
{     
    // 设置程序的本地化环境，确保能够正确处理各种字符编码  
    setlocale(LC_ALL,"");  
  
    // 初始化ROS节点  
    // 参数1和参数2通常用于从命令行接收参数，这里暂时未使用  
    // 参数3是节点的名称，需要保证在ROS网络中唯一  
    ros::init(argc,argv,"talker");  
  
    // 实例化ROS节点句柄，用于与ROS系统通信  
    ros::NodeHandle nh;  
  
    // 创建一个发布者对象  
    // 泛型参数指定了发布的消息类型（std_msgs::String）  
    // 第一个参数指定了要发布到的话题名称（"chatter"）  
    // 第二个参数指定了消息队列的最大长度（10），超出此长度时，旧的消息会被丢弃  
    ros::Publisher pub = nh.advertise<std_msgs::String>("chatter",10);  
  
    // 准备要发布的消息数据  
    std_msgs::String msg;  
    std::string msg_front = "Hello 你好！"; // 消息的前缀部分  
    int count = 0; // 用于计数，每次发布的消息都会附带一个递增的数字  
  
    // 设置发布频率（1Hz，即每秒发布一次）  
    ros::Rate r(1);  
  
    // 主循环，保持节点运行  
    while (ros::ok())  
    {  
        // 使用字符串流拼接前缀和计数器值，生成新的消息内容  
        std::stringstream ss;  
        ss << msg_front << count;  
        msg.data = ss.str(); // 将拼接后的字符串赋值给消息的数据部分  
  
        // 发布消息到指定的话题  
        pub.publish(msg);  
  
        // 打印调试信息，显示发送的消息内容  
        ROS_INFO("发送的消息:%s",msg.data.c_str());  
  
        // 根据设置的频率休眠，确保发布频率准确  
        r.sleep();  
  
        // 计数器自增，为下一次发布准备  
        count++;  
  
        // 调用ros::spinOnce()可以在循环中处理回调函数，虽然在这个简单示例中没有用到回调  
        ros::spinOnce();  
    }  
  
    // 程序结束  
    return 0;  
}

5.订阅者代码：

#include "ros/ros.h"
#include "std_msgs/String.h"

void doMsg(const std_msgs::String::ConstPtr& msg_p){
    ROS_INFO("我听见:%s",msg_p->data.c_str());
    // ROS_INFO("我听见:%s",(*msg_p).data.c_str());
}
int main(int argc, char  *argv[])
{
    setlocale(LC_ALL,"");
    //2.初始化 ROS 节点:命名(唯一)
    ros::init(argc,argv,"listener");
    //3.实例化 ROS 句柄
    ros::NodeHandle nh;

    //4.实例化 订阅者 对象
    ros::Subscriber sub = nh.subscribe<std_msgs::String>("chatter",10,doMsg);
    //5.处理订阅的消息(回调函数)

    //     6.设置循环调用回调函数
    ros::spin();//循环读取接收的数据，并调用回调函数处理

    return 0;
}

6.编辑配置文件：编辑 ros 包下的 CamkeLists.txt 文件

add_executable(hello_pub src/hello_pub.cpp)
add_executable(hello_sub src/hello_sub.cpp)

 target_link_libraries(hello_pub
   ${catkin_LIBRARIES}
 )
 target_link_libraries(hello_sub
   ${catkin_LIBRARIES}
 )

7.编译并执行

ctrl+shift+B编译，新建终端键入

roscore

新建终端

source ./devel/setup.bash
rosrun helloworld hello_pub

再新建一个终端，输入：

source ./devel/setup.bash
rosrun helloworld hello_sub

8.通过实验我们可以观察到，hello_pub成功的发送了信息而hello_sub也成功地接收到了信息。

通过更多的实验可以验证：

先启动roscore, 然后启动发布节点，然后启动订阅节点

可以发现，发布者正常发布信息，订阅者正常接收信息

先启动roscore, 然后启动订阅节点，然后启动发布节点

根据实验可知，订阅者没有信息，发布者启动后有发布信息，再观察订阅者可以接收到信息

先启动发布节点，然后启动订阅节点，然后启动roscore

根据实验观察，没有启动roscore时，启动发布者和订阅者都报错，最后启动roscore也能正常发送消息和接受消息。

正常启动后，关闭roscore终端，观察程序是否正常执行

可以观察到正常启动后，已经在发布者和订阅者之间建立了通信通道，关闭roscore对已经建立的话题通信没有影响。

另启终端，可以使用 rqt_graph 查看节点关系。

标签：订阅,VScode,话题,C++,消息,发布者,ROS,hello
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