ROS2---std_msgs基础消息包

kyle~2025-04-14 7:02

std_msgs 是ROS 2（Robot Operating System 2）里的基础消息包，它定义了一系列简单却常用的消息类型，为不同节点间的通信提供了基础的数据格式。

1. 消息包概述

std_msgs 包包含了多种基础消息类型，这些类型用于表示常见的数据，如布尔值、整数、浮点数、字符串、时间等。在ROS 2系统里，不同节点通过发布和订阅这些消息类型来交换数据。

2. 常见消息类型

2.1 布尔类型（Bool）

用于表示布尔值，即 true 或者 false。

plaintext 复制代码 
bool data
  • 用途：常用于开关控制、状态指示等场景。例如，控制机器人的某个功能开启或关闭，或者表示传感器是否检测到特定目标。
  • 示例代码（Python）：
python 复制代码 
import rclpy
from rclpy.node import Node
from std_msgs.msg import Bool

class BoolPublisher(Node):
    def __init__(self):
        super().__init__('bool_publisher')
        self.publisher_ = self.create_publisher(Bool, 'bool_topic', 10)
        timer_period = 1  # seconds
        self.timer = self.create_timer(timer_period, self.timer_callback)
        self.i = 0

    def timer_callback(self):
        msg = Bool()
        msg.data = self.i % 2 == 0
        self.publisher_.publish(msg)
        self.get_logger().info('Publishing: "%s"' % msg.data)
        self.i += 1


def main(args=None):
    rclpy.init(args=args)
    bool_publisher = BoolPublisher()
    rclpy.spin(bool_publisher)
    bool_publisher.destroy_node()
    rclpy.shutdown()


if __name__ == '__main__':
    main()
2.2 整数类型
  • 有符号整数 ：Int8、Int16、Int32、Int64 分别表示8位、16位、32位和64位有符号整数。以 Int32 为例：
plaintext 复制代码 
int32 data
  • 无符号整数 ：UInt8、UInt16、UInt32、UInt64 分别表示8位、16位、32位和64位无符号整数。以 UInt32 为例：
plaintext 复制代码 
uint32 data
  • 用途：可用于计数、索引、状态编码等场景。比如，统计传感器采集的数据数量，或者表示设备的状态编码。
2.3 浮点类型
  • Float32 和 Float64 ：分别表示32位和64位浮点数。以 Float32 为例：
plaintext 复制代码 
float32 data
  • 用途：常用于表示连续的物理量，像温度、速度、角度等。
2.4 字符串类型（String）

用于表示文本信息。

plaintext 复制代码 
string data
  • 用途：可传递文本指令、日志信息、描述性信息等。例如，发送控制指令或者记录系统的运行日志。
  • 示例代码（Python）：
python 复制代码 
import rclpy
from rclpy.node import Node
from std_msgs.msg import String

class StringPublisher(Node):
    def __init__(self):
        super().__init__('string_publisher')
        self.publisher_ = self.create_publisher(String, 'string_topic', 10)
        timer_period = 1  # seconds
        self.timer = self.create_timer(timer_period, self.timer_callback)
        self.i = 0

    def timer_callback(self):
        msg = String()
        msg.data = 'Hello World: %d' % self.i
        self.publisher_.publish(msg)
        self.get_logger().info('Publishing: "%s"' % msg.data)
        self.i += 1


def main(args=None):
    rclpy.init(args=args)
    string_publisher = StringPublisher()
    rclpy.spin(string_publisher)
    string_publisher.destroy_node()
    rclpy.shutdown()


if __name__ == '__main__':
    main()
2.5 时间和持续时间类型
  • Time：表示时间点，由秒和纳秒构成。
plaintext 复制代码 
uint32 sec
uint32 nanosec
  • Duration：表示时间间隔，同样由秒和纳秒构成。
plaintext 复制代码 
int32 sec
uint32 nanosec
  • 用途：在需要进行时间同步、时间戳记录或者计算时间间隔的场景中使用。例如，记录传感器数据的采集时间，或者计算两个事件之间的时间差。
2.6 头消息类型（Header）

为其他消息提供元数据，包含序列号、时间戳和坐标系ID。

plaintext 复制代码 
uint32 seq
builtin_interfaces/Time stamp
string frame_id
  • seq：消息序列号，用于标识消息的顺序。
  • stamp：时间戳，记录消息的发布时间。
  • frame_id：坐标系ID，指示消息数据所在的坐标系。
  • 用途：在多传感器融合、坐标变换等场景中，确保数据的时间一致性和空间一致性。
2.7 空消息类型（Empty）

不包含任何数据。

plaintext 复制代码
  • 用途：通常用于触发某个动作或者事件，而不需要传递具体的数据。例如，触发一个系统的重置操作。

3. 消息使用的注意事项

3.1 数据类型匹配

在发布和订阅消息时，要保证消息类型一致，不然会引发运行时错误。

3.2 时间戳处理

对于包含时间戳的消息（如 Header 和 Time），要正确设置和处理时间戳，以保证数据的时间一致性。

3.3 坐标系管理

使用 Header 中的 frame_id 时，要确保坐标系的定义和使用是正确的，避免坐标变换出错。

4. 消息的编译和使用流程

4.1 消息定义

在 .msg 文件里定义消息类型，例如 Bool.msg：

plaintext 复制代码 
bool data
4.2 消息编译

在 package.xml 中添加依赖：

xml 复制代码 
<build_depend>rosidl_default_generators</build_depend>
<exec_depend>rosidl_default_runtime</exec_depend>

在 CMakeLists.txt 中配置消息编译：

cmake 复制代码 
find_package(ament_cmake REQUIRED)
find_package(rosidl_default_generators REQUIRED)

rosidl_generate_interfaces(${PROJECT_NAME}
  "msg/Bool.msg"
  DEPENDENCIES builtin_interfaces
)

ament_export_dependencies(rosidl_default_runtime)

ament_package()

然后运行 colcon build 进行编译。

4.3 在代码中使用

在发布和订阅节点里引入相应的消息类型并使用。

5. 高级应用

5.1 消息嵌套

可以把 std_msgs 中的消息类型嵌套到自定义消息里，构建更复杂的消息结构。

5.2 消息序列化和反序列化

ROS 2会自动处理消息的序列化和反序列化，不过在某些特殊场景下，可能需要手动处理。

鉴于ROS2架构的项目中std_msgs/Header有至关重要的作用，所以下面对其进行详细介绍

在ROS 2（Robot Operating System 2）中，std_msgs/Header 消息类型同样扮演着至关重要的角色，它为其他消息提供了元数据信息，对于消息的时间同步、坐标系管理以及消息追踪等功能起着关键作用。

1. 消息定义与结构

std_msgs/Header 消息类型定义如下：

plaintext 复制代码 
# 消息序列号
uint32 seq
# 时间戳
builtin_interfaces/Time stamp
# 坐标系ID
string frame_id

2. 各字段详细解释

2.1 序列号（seq）
  • 数据类型 ：uint32，即无符号32位整数。
  • 作用 ：该字段用于唯一标识消息的发布顺序。每次发布消息时，序列号会依次递增。它的主要用途是帮助接收方判断消息是否有丢失或乱序情况。例如，在实时性要求较高的机器人控制系统中，接收节点可以通过检查 seq 的连续性来确保消息的完整性。
  • 使用场景 ：在处理大量消息流时，通过 seq 可以快速定位和识别消息的顺序，有助于调试和错误排查。
2.2 时间戳（stamp）
  • 数据类型 ：builtin_interfaces/Time，它包含 sec（秒）和 nanosec（纳秒）两个子字段，用于精确表示时间点。
  • 作用：记录消息发布的时间，在多传感器数据融合、运动规划和控制等场景中，时间戳是实现数据同步和时序分析的关键信息。例如，在融合激光雷达和摄像头数据时，需要根据时间戳将不同传感器的数据进行对齐。
  • 使用场景 ：
    • 数据同步：确保不同传感器或节点产生的数据在时间上的一致性。
    • 历史数据分析：通过时间戳可以对消息进行排序和筛选，便于后续的分析和处理。
    • 故障诊断：在排查问题时，时间戳可以帮助确定事件发生的先后顺序，辅助定位问题。
2.3 坐标系ID（frame_id）
  • 数据类型 ：string，即字符串类型。
  • 作用 ：指定消息中数据所参考的坐标系。在机器人的运动控制和环境感知中，不同的传感器和执行器可能使用不同的坐标系，通过 frame_id 可以明确数据的空间参考，方便进行坐标变换和数据融合。例如，激光雷达数据可能是在 base_link（机器人基座坐标系）下采集的，而地图数据可能是在 map（全局地图坐标系）下定义的，通过 frame_id 可以将它们统一到同一坐标系下进行处理。
  • 使用场景 ：
    • 坐标变换 ：结合ROS 2的TF（Transform）库，根据 frame_id 进行不同坐标系之间的转换。
    • 可视化 ：在RViz等可视化工具中，根据 frame_id 正确显示数据的位置和姿态。
    • 多机器人协作 ：在多机器人系统中，不同机器人可能使用不同的坐标系，frame_id 有助于区分和协调各机器人的数据。

3. 代码示例

以下是一个使用Python和ROS 2的示例，展示如何创建和使用 Header 消息：

python 复制代码 
import rclpy
from rclpy.node import Node
from std_msgs.msg import Header
from builtin_interfaces.msg import Time
import time

class HeaderPublisher(Node):
    def __init__(self):
        super().__init__('header_publisher')
        self.publisher_ = self.create_publisher(Header, 'header_topic', 10)
        timer_period = 1  # seconds
        self.timer = self.create_timer(timer_period, self.timer_callback)
        self.seq = 0

    def timer_callback(self):
        header = Header()
        header.seq = self.seq
        current_time = self.get_clock().now().to_msg()
        header.stamp = current_time
        header.frame_id = 'base_link'

        self.publisher_.publish(header)
        self.get_logger().info(f'Publishing Header: seq={header.seq}, stamp={header.stamp}, frame_id={header.frame_id}')
        self.seq += 1

def main(args=None):
    rclpy.init(args=args)
    header_publisher = HeaderPublisher()
    rclpy.spin(header_publisher)
    header_publisher.destroy_node()
    rclpy.shutdown()

if __name__ == '__main__':
    main()

4. 使用注意事项

4.1 时间戳设置

在实际应用中，要确保 stamp 字段的时间准确，建议使用ROS 2提供的时钟接口（如 get_clock().now()）来获取当前时间，避免手动设置可能导致的时间不一致问题。

4.2 坐标系命名规范

frame_id 应遵循ROS 2的命名约定，通常使用小写字母、数字和下划线，避免使用特殊字符。常见的坐标系名称包括 base_link（机器人基座坐标系）、map（全局地图坐标系）等。

4.3 序列号管理

seq 字段由发布节点负责维护和递增，接收节点可以通过比较序列号来检测消息丢失或乱序情况。

5. 应用场景

5.1 多传感器融合

在机器人同时配备激光雷达、摄像头、IMU等多种传感器的情况下，不同传感器采集的数据可能具有不同的时间戳和坐标系。通过 Header 消息，可以将这些数据在时间和空间上进行统一，从而实现更准确的环境感知和决策。

5.2 运动规划与控制

在机器人的运动规划和控制过程中，需要实时获取机器人的位置、姿态等信息。Header 消息中的时间戳和坐标系ID可以帮助控制系统准确地跟踪机器人的状态，确保运动的精确性和稳定性。

5.3 日志记录与调试

在开发和调试过程中，Header 消息可以作为重要的日志信息，记录消息的发布顺序、时间和坐标系等关键信息，有助于快速定位和解决问题。

综上所述，std_msgs/Header 消息类型在ROS 2中是一个基础且重要的组成部分，它为消息传递提供了必要的元数据，对于实现机器人系统的高效运行和数据处理起着不可或缺的作用。

倏忽温风至，因循小暑来。

竹喧先觉雨，山暗已闻雷。 ---元稹

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