ROS2 节点和话题

引言

本篇是ROS2最核心的通信模式：发布-订阅（Pub-Sub）

1. 发布-订阅模型的数学模型

1.1 基本概念

发布-订阅模型可以用集合论来描述：
Topic(t) = {m_1, m_2, ..., m_n} at time t
其中：

发布者节点 P_i 向话题 T_j 发送消息 m_i
订阅话题 T_j 的节点 S_k 接收消息

1.2 通信时序图

1.3 通信模式对比

1对多：一个发布节点广播消息到订阅节点
多对1：多个发布节点发送消息到一个订阅节点
多对多：多个发布节点发送消息到话题总线，多个接收节点从总线上接受消息

2. 话题通信的QoS配置

2.1 基本介绍

QoS（Quality of Service）定义了消息传递的可靠性和持久性，话题端点（Endpoint）的属性，发布者端和订阅者端各自独立配置，两者会进行"协商。配置时注意兼容问题，不兼容时会拒绝连接。

2.2 配置项

核心策略：

history: 历史策略。决定是只保留最新的消息（KEEP_LAST）还是保留所有消息（KEEP_ALL）。默认值：KEEP_LAST
depth: 队列深度。配合 history 使用，如果是 KEEP_LAST，这个值决定了队列里存几条消息。
reliability: 可靠性策略。这是最重要的之一，决定是“必须收到”（RELIABLE）还是“丢了就丢了”（BEST_EFFORT）。默认值：RELIABLE
durability: 持久性策略。决定“晚加入的订阅者能不能收到之前的消息”（TRANSIENT_LOCAL vs VOLATILE）。默认值：VOLATILE

高级/时间策略：

deadline: 截止期。期望收到消息的最大时间间隔。如果超时没收到，会触发回调报错。默认（无限制）
lifespan: 消息寿命。消息在队列里能活多久。如果订阅者处理太慢，消息过期了就会被丢弃，不再发送。默认（无限制）
liveliness: 存活策略。用来检测对方是不是还“活着”（比如节点挂了或者网线拔了）。默认（AUTOMATIC）
liveliness_lease_duration: 存活租约时间。配合上面的 liveliness 使用，定义“多久没动静就算挂了”。默认（无限制）

2.3 兼容性

QoS可靠性策略的兼容性：

QoS持久性策略的兼容性：

QoS时间期限策略的兼容性（假设x和y是任意有效的持续时间值）：

QoS活力策略的兼容性：

QoS租期策略的兼容性（假设x和y是任意有效的持续时间值）：

为了建立连接，所有影响兼容性的策略都必须兼容。例如，即使请求和提供的QoS配置文件在QoS可靠性策略方面兼容，但它们在QoS持久性策略方面不兼容，仍然不会建立连接。

如果未建立连接，则发布者和订阅者之间将不会传递任何消息。

3. 演示项目

3.1 构建功能包

API相关详解可查看官方文档https://docs.ros2.org/latest/api/rclcpp/
依次输入下面的命令，创建chapt3_ws工作空间、example_topic_rclcpp功能包和topic_publisher_01.cpp和topic_subscribe_01.cpp

mkdir -p chapt3/chapt3_ws/src
cd chapt3/chapt3_ws/src
ros2 pkg create example_topic_rclcpp --build-type ament_cmake --dependencies rclcpp
touch example_topic_rclcpp/src/topic_publisher_01.cpp
touch example_topic_rclcpp/src/topic_subscribe_01.cpp

workspace目录结构如下

chapt3_ws
└── src
    └── example_topic_rclcpp
        ├── CMakeLists.txt
        ├── include
        │   └── example_topic_rclcpp
        ├── package.xml
        └── src
            └── topic_publisher_01.cpp
            └── topic_subscribe_01.cpp

修改CMakeLists.txt

add_executable(topic_subscribe_01 src/topic_subscribe_01.cpp)
ament_target_dependencies(topic_subscribe_01 rclcpp)

install(TARGETS
topic_subscribe_01
  DESTINATION lib/${PROJECT_NAME}
)

3.2 发布者实现

定义了一个周期500ms发布字符类型消息到command话题的节点，qos配置depth=10

#include "rclcpp/rclcpp.hpp"
#include "std_msgs/msg/string.hpp"

class TopicPublisher01 : public rclcpp::Node
{
public:
    // 构造函数,有一个参数为节点名称
    TopicPublisher01(std::string name) : Node(name)
    {
        RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "大家好，我是%s.", name.c_str());
        // 创建发布者
        command_publisher_ = this->create_publisher<std_msgs::msg::String>("command", 10);
        // 创建定时器，500ms为周期，定时发布
        timer_ = this->create_wall_timer(std::chrono::milliseconds(500), std::bind(&TopicPublisher01::timer_callback, this));
    }

private:
    void timer_callback()
    {
        // 创建消息
        std_msgs::msg::String message;
        message.data = "forward";
        // 日志打印
        RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "Publishing: '%s'", message.data.c_str());
        // 发布消息
        command_publisher_->publish(message);
    }
    // 声名定时器指针
    rclcpp::TimerBase::SharedPtr timer_;
    // 声明话题发布者指针
    rclcpp::Publisher<std_msgs::msg::String>::SharedPtr command_publisher_;
};

3.3 订阅者实现

定义了接收节点，根据接收到的消息，执行相应动作。qos配置depth=10.

#include "rclcpp/rclcpp.hpp"
#include "std_msgs/msg/string.hpp"

class TopicSubscribe01 : public rclcpp::Node
{
public:
    TopicSubscribe01(std::string name) : Node(name)
    {
        RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "大家好，我是%s.", name.c_str());
          // 创建一个订阅者订阅话题
        command_subscribe_ = this->create_subscription<std_msgs::msg::String>("command", 10, std::bind(&TopicSubscribe01::command_callback, this, std::placeholders::_1));
    }

private:
     // 声明一个订阅者
    rclcpp::Subscription<std_msgs::msg::String>::SharedPtr command_subscribe_;
     // 收到话题数据的回调函数
    void command_callback(const std_msgs::msg::String::SharedPtr msg)
    {
        double speed = 0.0f;
        if(msg->data == "forward")
        {
            speed = 0.2f;
        }
        RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "收到[%s]指令，发送速度 %f", msg->data.c_str(),speed);
    }
};

3.4 导入消息接口

消息接口是ROS2通信时必须的一部分，通过消息接口ROS2才能完成消息的序列化和反序列化。ROS2为我们定义好了常用的消息接口，并生成了C++和Python的依赖文件，我们可以直接在程序中进行导入。

ament_cmake类型功能包导入消息接口分为三步：

在CMakeLists.txt中导入，具体是先find_packages再ament_target_dependencies。
在packages.xml中导入，具体是添加depend标签并将消息接口写入。
在代码中导入，C++中是#include"消息功能包/xxx/xxx.hpp"。
我们依次做完这三步后文件内容如下：

CMakeLists.txt

find_package(rclcpp REQUIRED)
find_package(std_msgs REQUIRED)
...
add_executable(topic_publisher_01 src/topic_publisher_01.cpp)
ament_target_dependencies(topic_publisher_01 rclcpp std_msgs)
install(TARGETS
  topic_publisher_01
  DESTINATION lib/${PROJECT_NAME}  
)

add_executable(topic_publisher_01 src/topic_subscribe_01.cpp)
ament_target_dependencies(topic_subscribe_01 rclcpp std_msgs)
install(TARGETS
  topic_subscribe_01
  DESTINATION lib/${PROJECT_NAME}  
)

packages.xml

  <buildtool_depend>ament_cmake</buildtool_depend>

  <depend>rclcpp</depend>
  <depend>std_msgs</depend>

  <test_depend>ament_lint_auto</test_depend>
  <test_depend>ament_lint_common</test_depend>

代码文件topic_publisher_01.cpp、topic_subscribe_01.cpp

#include "rclcpp/rclcpp.hpp"
#include "std_msgs/msg/string.hpp"

3.5 运行及监控工具命令

编译，source，运行

cd chapt3_ws/
colcon build --packages-select example_topic_rclcpp
source install/setup.bash
ros2 run example_topic_rclcpp topic_publisher_01
ros2 run example_topic_rclcpp topic_subscribe_01

监控工具

查看话题列表

# 列出所有活跃的话题
ros2 topic list

# 输出示例：
# /command
# /parameter_events
# /rosout

监听话题消息

# 实时查看话题上的消息
ros2 topic echo /command

# 输出示例：
# data: forward
# ---
# data: forward

查看话题信息

# 显示话题的详细信息,节点数量
ros2 topic info /command

# 输出：
# Type: std_msgs/msg/String
# Publisher count: 1
# Subscription count: 1

查看消息统计信息

# 显示话题的消息速率等信息
ros2 topic hz /command

# 输出示例：
#average rate: 1.944
#        min: 0.431s max: 0.650s std dev: 0.08708s window: 4
#average rate: 2.053
#        min: 0.399s max: 0.650s std dev: 0.07737s window: 7

posted @ 2026-08-17 00:13 觅踪人阅读(10) 评论(0) 收藏举报

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