《ROS2智能机器人开发实践》--4.节点、话题

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      本篇讲述ROS2核心原理的节点与话题。

一.节点

1.概念

      完整的机器人系统可能并不是一个物理上的整体，机器人的功能虽位于不同的计算机中，但都是这款机器人的工作细胞，也就是节点，他们共同组成了一个完整的机器人系统。

      下面是关于节点的特性描述：

●节点在机器人系统中的职责就是执行某些具体的任务，从计算机操作系统的角度来看，也叫做进程；
●每个节点都是一个可以独立运行的可执行文件，比如执行某一个python程序，或者执行C++编译生成的结果，都算是运行了一个节点；
●既然每个节点都是独立的执行文件，那自然就可以想到，得到这个执行文件的编程语言可以是不同的，比如C++、Python，乃至Java、Ruby等更多语言。
●这些节点是功能各不相同的细胞，根据系统设计的不同，可能位于计算机A，也可能位于计算机B，还有可能运行在云端，这叫做分布式，也就是可以分布在不同的硬件载体上；
●每一个节点都需要有唯一的命名，当我们想要去找到某一个节点的时候，或者想要查询某一个节点的状态时，可以通过节点的名称来做查询。

2.节点实现

      节点实现有分面向过程实现和面向对象实现。两者案例可分别参阅dev_ws/src/ros2_21_tutorials/learning_node/learning_node/node_helloworld.py和dev_ws/src/ros2_21_tutorials/learning_node/learning_node/node_helloworld_class.py。

面向过程

      代码实现在learning_node/node_helloworld.py，完成代码的编写后需要设置功能包的编译选项，让系统知道Python程序的入口，打开功能包的setup.py文件。

      运行节点命令如下：

婵犮垼娉涚粔鎾春閿燂拷

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ros2 run learning_node node_helloworld

      面相过程这种方式虽然实现简单，但是对于稍微复杂一点的机器人系统，就很难做到模块化编码。

面向对象

      节点实现代码如下：

婵犮垼娉涚粔鎾春閿燂拷

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#!/usr/bin/env python3 
# -*- coding: utf-8 -*-

"""
@作者: 古月居(www.guyuehome.com)
@说明: ROS2节点示例-发布“Hello World”日志信息, 使用面向过程的实现方式
"""

import rclpy                                     # ROS2 Python接口库
from rclpy.node import Node                      # ROS2 节点类
import time

def main(args=None):                             # ROS2节点主入口main函数
    rclpy.init(args=args)                        # ROS2 Python接口初始化
    node = Node("node_helloworld")               # 创建ROS2节点对象并进行初始化
    
    while rclpy.ok():                            # ROS2系统是否正常运行
        node.get_logger().info("Hello World")    # ROS2日志输出
        time.sleep(0.5)                          # 休眠控制循环时间
    
    node.destroy_node()                          # 销毁节点对象    
    rclpy.shutdown()                             # 关闭ROS2 Python接口

      运行节点命令如下：

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learning_node/node_helloworld_class.py

      我们可以看到创建节点流程的代码实现过程如下，只是面向过程与面向对象编码方式不一样而已。

●编程接口初始化
●创建节点并初始化
●实现节点功能
●销毁节点并关闭接口

3.物体识别节点

      首先安装OpenCV,指令如下：

婵犮垼娉涚粔鎾春閿燂拷

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sudo apt install python3-opencv

      其次将图片路径修改为实际路径，修改如下图代码红框。

      最后运行例程，指令如下：

婵犮垼娉涚粔鎾春閿燂拷

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ros2 run learning_node node_object

      例程运行成功后，会弹出一个可视化窗口，可以看到苹果被成功识别，一个绿色框会把苹果的轮廓勾勒出来，中间的绿点表示中心点。结果如下

 

二.话题

1.概念与定义

      话题是节点间传递数据的桥梁。

通信模型

      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。

      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

      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。其框架如下：

多对多通信

      ROS里的话题 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。如果存在多个发送指令的节点，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。一步主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。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。

消息接口

      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。

2.话题通讯案例

Hello World话题通信

      这里选用learning_topic工作空间里的发布者learning_topic/topic_helloworld_pub.py，订阅者learning_topic/topic_helloworld_sub.py，代码如下

      启动第一个终端，运行话题的发布者节点：

婵犮垼娉涚粔鎾春閿燂拷

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ros2 run learning_topic topic_helloworld_pub

      启动第二个终端，运行话题的订阅者节点：

婵犮垼娉涚粔鎾春閿燂拷

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ros2 run learning_topic topic_helloworld_sub

      运行结果如下。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。

流程总结

      实现一个发布者，流程如下：

●编程接口初始化
●创建节点并初始化
●创建发布者对象
●创建并填充话题消息
●发布话题消息
●销毁节点并关闭接口
      实现一个订阅者，流程如下：

●编程接口初始化
●创建节点并初始化
●创建订阅者对象
●回调函数处理话题数据
●销毁节点并关闭接口

 

      至此，梳理了解了ROS2节点与话题，并通过实验实践予以实现。

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