ROS2 Jazzy + C++ 实战路线——基础学习2

程序整体架构：

复制代码

┌──────────────────┐
│  my_first_node   │
│                  │
│    Publisher     │
└────────┬─────────┘
         │
         │ std_msgs/msg/String
         ↓
      /hello
         │
         │ std_msgs/msg/String
         ↓
┌────────┴─────────┐
│ hello_subscriber │
│                  │
│   Subscription   │
└──────────────────┘

注意：

Publisher：

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create_publisher<std_msgs::msg::String>(
    "/hello",
    10
);

Subscriber：

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create_subscription<std_msgs::msg::String>(
    "/hello",
    10,
    ...
);

它们能通信，需要最基本的两个条件：

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Topic 名称一样：

/hello

消息类型一样：

std_msgs/msg/String

这一点非常重要。

例如 Publisher 发：

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/hello
std_msgs/msg/String

Subscriber 却订阅：

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/abc

那就收不到。

或者 Topic 都叫：

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/hello

但消息类型不同，也不能正常配对，这是理解 ROS2 非常重要的一步，看看 Publisher 代码，里面有没有：

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#include "hello_subscriber.hpp"

没有。

有没有：

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HelloSubscriber IP

没有。

有没有：

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调用 HelloSubscriber::topic_callback()

也没有。

Subscriber 也不知道 Publisher 的类名。

所以：

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Publisher

实际上只知道：

复制代码

我要往 /hello 发 String

Subscriber 只知道：

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我要从 /hello 收 String

它们完全不需要：

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直接认识对方

这就是：解耦

1. 什么叫"解耦"？

比如传统程序可能是：

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A程序
 ↓
直接调用
 ↓
B程序

于是 B 改了：

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函数名
接口
地址
实现

A 也可能需要跟着改。

ROS2 Topic 更像：

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A
 ↓
把数据放到 /hello

B
 ↓
从 /hello 拿数据

A 不关心：

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到底有没有 B
B 是谁
B 是 C++ 还是 Python
B 做什么

B 也不关心 A 的内部实现。

2. ROS2 怎么让它们发现彼此？

你可能会问：

我没告诉 Publisher Subscriber 的 IP，它们怎么找到对方？

ROS2 底层通常通过 DDS 完成发现和通信，先理解：

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ROS2 / DDS
负责帮助节点发现彼此

Publisher:
"谁订阅 /hello？"

Subscriber:
"我订阅 /hello。"

然后底层建立通信，所以应用代码里面，你不需要手动写：

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192.168.1.100
192.168.1.101

这种固定连接逻辑。

不过以后跨机器通信时，我们会学习：

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ROS_DOMAIN_ID
DDS Discovery
防火墙
同网段
多网卡
QoS

这些是真机项目会遇到的问题。

现在先不展开。

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Type
↓
这个 Topic 传什么数据

Publisher count: 1
↓
有一个人在发

Subscription count: 1
↓
有一个人在收

一个 Publisher 给多个 Subscriber

比如：

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             /mocap/human_pose
                    │
          ┌─────────┼──────────┐
          ↓         ↓          ↓
        GMR      Monitor    Recorder

动捕节点只发布一次。

然后：

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GMR

拿去做重定向。

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Monitor

统计频率和掉帧。

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Recorder

记录原始数据。Publisher 不需要为三个 Subscriber 分别写三套发送逻辑。

自定义 `msg`

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MocapFrame
│
├── frame_id
├── source
└── joint_positions

这就是自定义 ROS2 Message，我们不把接口塞进 my_first_pkg，这里开始教你一个比较工程化的习惯：

接口单独放一个 Package。

我们创建：

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my_interfaces

以后结构就是：

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ros2_ws/
└── src/
    ├── my_first_pkg/
    │
    │   ├── Publisher
    │   └── Subscriber
    │
    └── my_interfaces/
        └── msg/
            └── MocapFrame.msg

这也是 ROS2 官方自定义接口教程采用的做法：单独建立一个 ament_cmake 接口包，然后其他 C++ 或 Python Package 使用它。(GitHub)

以后你的真实工程，我们更可能叫：

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mocap_msgs

而不是：

复制代码

my_interfaces

现在为了学习先用简单名字。

3. 创建接口 Package

执行：

复制代码

cd ~/ros2_ws/src

然后：

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ros2 pkg create \
  --build-type ament_cmake \
  --license Apache-2.0 \
  my_interfaces

进去：

复制代码

cd my_interfaces

创建：

复制代码

mkdir msg

现在：

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my_interfaces/
│
├── CMakeLists.txt
├── package.xml
│
└── msg/

ROS2 规定 .msg 文件放在 Package 的 msg/ 目录中。(GitHub)

4. 创建你的第一个接口

执行：

复制代码

nano msg/MocapFrame.msg

写：

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uint32 frame_id
string source
float64[] joint_positions

保存，这就是一个真正的 ROS2 接口。

配置：修改 CMakeLists.txt

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CMakeLists.txt
package.xml

nano ~/ros2_ws/src/my_interfaces/CMakeLists.txt

可以先简化成下面这样：

复制代码

cmake_minimum_required(VERSION 3.8)
project(my_interfaces)

find_package(ament_cmake REQUIRED)
find_package(rosidl_default_generators REQUIRED)

rosidl_generate_interfaces(${PROJECT_NAME}
  "msg/MocapFrame.msg"
)

ament_package()

最关键的是：

复制代码

find_package(rosidl_default_generators REQUIRED)

以及：

复制代码

rosidl_generate_interfaces(${PROJECT_NAME}
  "msg/MocapFrame.msg"
)

5. `rosidl_generate_interfaces` 是干什么的？

这一句非常关键。

复制代码

rosidl_generate_interfaces(...)

大白话：

ROS2，请根据我的 .msg 文件生成可以给程序使用的代码。

过程：

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MocapFrame.msg
      ↓
rosidl
      ↓
自动生成代码
      ↓
C++可以使用
Python也可以使用

ROS2 官方教程也是通过 rosidl_default_generators 和 rosidl_generate_interfaces() 完成这个过程。(GitHub)

你可以把：

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rosidl

暂时理解为：

ROS2 的接口代码生成系统。

不用再深入。下一步修改 package.xml，打开：

复制代码

nano ~/ros2_ws/src/my_interfaces/package.xml

在 <package> 里面加入：

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<buildtool_depend>rosidl_default_generators</buildtool_depend>

<exec_depend>rosidl_default_runtime</exec_depend>

<member_of_group>rosidl_interface_packages</member_of_group>

所以里面会有类似：

复制代码

<buildtool_depend>ament_cmake</buildtool_depend>

<buildtool_depend>rosidl_default_generators</buildtool_depend>

<exec_depend>rosidl_default_runtime</exec_depend>

<member_of_group>rosidl_interface_packages</member_of_group>

这三行各自是什么意思？

先大概记：

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rosidl_default_generators
↓
编译时生成接口代码

rosidl_default_runtime
↓
程序运行时使用接口

rosidl_interface_packages
↓
告诉ROS2：
"我是一个接口Package"

这些也是官方 Jazzy 自定义接口配置要求。(GitHub)，编译接口

回到 Workspace：

复制代码

cd ~/ros2_ws

先：

复制代码

source /opt/ros/jazzy/setup.bash

然后：

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colcon build --packages-select my_interfaces

成功以后：

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source install/setup.bash

检查接口有没有生成成功

这是今天非常重要的一条命令：

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ros2 interface show my_interfaces/msg/MocapFrame

如果成功，你应该看到：

复制代码

uint32 frame_id
string source
float64[] joint_positions

看到它，就说明：

你的第一个 ROS2 自定义接口已经创建成功。

官方教程也使用 ros2 interface show <package>/msg/<Message> 来验证接口是否成功生成。(GitHub)

6.接口服务

服务接口：只定义一个 .srv 文件，服务接口定义在包的 srv/ 目录下，一个 .srv 文件里同时写请求和响应，中间用 --- 分隔。

例如 AddTwoInts.srv：

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srv

int64 a
int64 b
---
int64 sum

--- 上面是请求（Request）
--- 下面是响应（Response）

构建后，ROS 2 会为这一个 .srv 文件生成两个 C++ 结构体：

复制代码

cpp

AddTwoInts::Request
AddTwoInts::Response

但它们来自同一个接口定义，不是两个独立的文件。

客户端发送请求时用 AddTwoInts::Request，服务端返回时用 AddTwoInts::Response。

服务端和客户端使用的服务类型都是：AddTwoInts

所以服务接口是一个通用定义，包含请求和响应两部分。

发布/订阅：只定义一个 .msg 文件

发布/订阅的消息接口定义在 msg/ 目录下，一个 .msg 文件只描述一种消息结构。

例如 String.msg：

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msg

string data

发布者发布 std_msgs::msg::String，订阅者也订阅 std_msgs::msg::String。

两边用的是同一个消息类型，不是分别定义不同的。

所以发布/订阅也是定义一个通用消息类型 ，发布者和订阅者共享它。

关键点：

服务接口不是"给发布和订阅分别定义不一样的"，因为服务里根本没有发布和订阅。
服务接口是一个 .srv 文件，里面同时包含请求和响应。
客户端和服务端共享这个服务类型，只是各自使用其中的 Request 或 Response 部分。
发布/订阅则是一个 .msg 文件，发布者和订阅者共享同一个消息类型。

7. 一个非常重要的概念：依赖顺序

现在有：

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my_interfaces
      ↓
先生成 MocapFrame

my_first_pkg
      ↓
才能使用 MocapFrame

所以不能反过来。

好在：

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colcon build

会分析 Package 依赖。

知道：

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my_first_pkg
依赖
my_interfaces

所以它会先编：

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my_interfaces

再编：

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my_first_pkg

这也是 ROS2 Package 化的重要意义。

8. Topic 和 Interface 不要混

这是现在非常容易混的地方。

比如：

复制代码

/mocap_frame

是：

Topic 名字。

而：

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my_interfaces/msg/MocapFrame

是：

消息类型。

可以理解成：

复制代码

/mocap_frame
= 快递路线

MocapFrame
= 快递箱规格

Publisher 和 Subscriber 想通信，必须：

复制代码

Topic 对得上
+
Message Type 对得上

9. 现在回头看"接口"到底是什么

到这里应该能真正理解：

复制代码

MocapFrame.msg

不是一个 Node。

不是 Topic。

不是 Publisher。

它只是：

Node 之间约定好的数据格式。

例如：

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uint32 frame_id
string source
float64[] joint_positions

意思就是：

大家以后传动捕数据，都按照这个格式来。

这就是接口约定。

复制代码

MocapFrame.msg
        ↓
rosidl_generate_interfaces
        ↓
生成 C++ 消息类型
        ↓
my_interfaces::msg::MocapFrame
        ↓
Publisher
        ↓
/mocap_frame
        ↓
Subscriber

如果这张图理解了，你已经把 ROS2 自定义 msg 的主流程学会了。

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Workspace
  ↓
Package
  ↓
Node
  ↓
Topic
  ↓
Publisher / Subscriber
  ↓
msg 自定义接口

这已经够你理解 ROS2 最基本的数据流了。

接下来我们快速把 ROS2 核心框架补齐。

Service、Action、Parameter 的整体区别

你先记这一张表：

机制	用来干什么	例子
Topic	持续传数据	IMU、动捕、关节状态
Service	请求一次，回答一次	重置、启动、查询状态
Action	执行一个需要时间的任务	机械臂移动、导航到目标点
Parameter	配置节点	IP、端口、频率、模型路径

机器人里大多数功能，基本就是这四种。

1. Topic：持续数据流

你已经学过：

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mocap_driver
      ↓
/mocap/human_pose
      ↓
gmr_retarget

特点是：

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一直发
一直收

例如：

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50 Hz 动捕
100 Hz IMU
500 Hz 关节状态

所以：

传感器数据、状态数据、控制目标，优先想到 Topic。

2. Service：问一次，答一次

结构：

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Client
  ↓ 请求
Service
  ↓ 响应
Server

比如：

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请求：
启动动捕

响应：
success = true

或者：

复制代码

请求：
清零编码器

响应：
清零完成

所以 Service 特别适合：

复制代码

start
stop
reset
enable
disable
get_status

这种操作。

你可以直接记：

Topic 是"持续广播"，Service 是"问答"。

3. `.srv` 接口

前面你学了：

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.msg

Service 对应：

复制代码

.srv

例如：

复制代码

bool enable
---
bool success
string message

中间：

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---

把它分成：

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请求
---
响应

所以 .srv 本质也是接口定义。

4. Action：耗时任务

为什么已经有 Service，还需要 Action？

比如：

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让机器人走到 5 米外

可能需要：

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10 秒
20 秒

你肯定不希望：

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发请求
↓
卡着等20秒
↓
最后才返回

所以 ROS2 有：

复制代码

Action

Action 允许：

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发送目标
   ↓
执行中
   ↓
不断反馈进度
   ↓
可以取消
   ↓
最终返回结果

比如：

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目标：
机械臂移动到位置A

反馈：
20%
40%
70%
90%

结果：
成功

所以一句话：

Service 适合快速操作，Action 适合耗时任务。

5. `.action` 接口

Action 接口一般三部分：

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Goal
---
Result
---
Feedback

比如：

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目标位置
---
是否成功
---
当前进度

先知道这个结构就够了。

现在完全不需要写 Action Server 代码。

6. Parameter：节点配置

Parameter 对你的项目非常重要，例如你之前的动捕程序可能会写死：

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port = 7014;

不推荐。

更好的方式：

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source_type = axis
primary_port = 7014
backup_port = 7015
queue_capacity = 100

通过 Parameter 配置。

这样换设备时：

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Axis
↓
Xsens
↓
PNLink

不需要重新改代码、重新编译。

只改配置。

这也是 ROS2 工程化很重要的一点。

7. YAML 又是什么？

ROS2 Parameter 通常会配合：

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.yaml

例如：

复制代码

mocap_driver:
  ros__parameters:
    source_type: "axis"
    primary_port: 7014
    backup_port: 7015
    publish_rate: 50.0

然后 Node 启动时加载。

所以未来你的系统会变成：

复制代码

代码
+
YAML配置

而不是：

复制代码

代码里写死所有参数

这点非常重要。

8. Launch：一次启动整个系统

如果有：

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mocap_driver
gmr_retarget
robot_output
rviz

总不能每次开四个终端。

所以 ROS2 有：

复制代码

Launch

一个 Launch 文件可以一次启动：

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mocap_driver_node
      +
gmr_retarget_node
      +
robot_output_node
      +
RViz

以后你最终可能只运行：

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ros2 launch humanoid_bringup mocap_system.launch.py

整个系统就起来了。

所以：

Launch = 系统启动脚本。

9. rosbag2：ROS2 的"录像机"

这个对你以后调试掉帧、动捕特别有用。

rosbag2 可以录：

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Topic 数据

例如：

复制代码

ros2 bag record /mocap/human_pose

录下来以后，即使 Axis 不在现场，也能：

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回放数据
↓
重新跑 GMR
↓
重新分析掉帧

所以你可以理解：

rosbag2 = ROS2 数据录像和回放。

这对机器人调试非常重要。

10. 现在把 ROS2 核心框架串起来

你先掌握这一张图：

复制代码

                ROS2 系统

                 Launch
                   ↓

 ┌─────────── Node ───────────┐
 │                             │
 │ Topic                       │
 │ 持续数据                    │
 │                             │
 │ Service                     │
 │ 请求 / 响应                 │
 │                             │
 │ Action                      │
 │ 长任务                      │
 │                             │
 │ Parameter                   │
 │ 配置                        │
 └─────────────────────────────┘

         ↓
     msg / srv / action
         ↓
      Interface

         ↓
      rosbag2
    记录 / 回放

目前这一层你先掌握到 "知道什么时候用什么" 就够了。

ROS2 Jazzy + C++ 实战路线——基础学习2

1. 什么叫"解耦"？

2. ROS2 怎么让它们发现彼此？

自定义 msg

3. 创建接口 Package

4. 创建你的第一个接口

5. rosidl_generate_interfaces 是干什么的？

6.接口服务

7. 一个非常重要的概念：依赖顺序

8. Topic 和 Interface 不要混

9. 现在回头看"接口"到底是什么

Service、Action、Parameter 的整体区别

1. Topic：持续数据流

2. Service：问一次，答一次

3. .srv 接口

4. Action：耗时任务

5. .action 接口

6. Parameter：节点配置

7. YAML 又是什么？

8. Launch：一次启动整个系统

9. rosbag2：ROS2 的"录像机"

10. 现在把 ROS2 核心框架串起来

自定义 `msg`

5. `rosidl_generate_interfaces` 是干什么的？

3. `.srv` 接口

5. `.action` 接口