理解 topics

目标: 使用 rqt_graph 和命令行工具与 ROS 2 topics 交互.

教程等级: 初级

预计时长: 20 分钟

背景 

ROS 2 将复杂的系统分解为许多模块化节点。 Topics 像总线(bus)一样让节点之间交换数据，是 ROS 图中的重要元素。

../../../_images/Topic-SinglePublisherandSingleSubscriber.gif

一个节点可以发布数据到任意数量的 topics，并同时订阅任意数量的 topics。

../../../_images/Topic-MultiplePublisherandMultipleSubscriber.gif

Topics 是数据在节点之间和系统不同部分之间传递的主要方式之一。

前提条件 

上一个教程提供了一些关于节点的背景信息，这个教程会在此基础上继续。

和之前一样，不要忘记在每次打开新终端时 source ROS 2。

任务 

1 准备工作 

现在你应该已经熟悉了如何启动 turtlesim。

打开一个新终端并运行:

ros2 run turtlesim turtlesim_node

打开另一个终端并运行: .. code-block:: console

ros2 run turtlesim turtle_teleop_key

从上一个教程中可以知道，这两个节点的默认名称分别是 /turtlesim 和 /teleop_turtle。

2 rqt_graph 

在本教程中，我们将使用 rqt_graph 来可视化变化的节点和 topics，以及它们之间的连接关系。

turtlesim 教程已经告诉你如何安装 rqt 及其插件，包括 rqt_graph。

打开一个新终端并输入以下命令运行 rqt_graph:

rqt_graph

你也可以通过打开 rqt 并选择 Plugins > Introspection > Node Graph 来打开 rqt_graph。

你应该能看到上图中的节点和 topic，以及图中周围的两个 actions （现在我们先忽略 actions ）。当你将鼠标悬停在中心的 topic 上时，你会看到像上图中那样的颜色高亮。

这个图展示了 /turtlesim 节点和 /teleop_turtle 节点如何通过一个 topic 进行通信。 /teleop_turtle 节点发布数据（你输入的按键来移动乌龟），发布到 /turtle1/cmd_vel topic，而 /turtlesim 节点订阅该 topic 来接收数据。

rqt_graph 的高亮功能在检查连接了许多不同节点和 topic 的复杂系统时非常有用。

rqt_graph 是一个图形化的 introspection 工具。现在我们将看一些用于 introspecting topics 的命令行工具。（译者注：一些与 topic 交互，包括检查状态、收发数据等功能的工具。）

3 ros2 topic list 

在新终端中运行 ros2 topic list 命令将返回系统中当前运行中(active)的所有 topics 的列表:

/parameter_events
/rosout
/turtle1/cmd_vel
/turtle1/color_sensor
/turtle1/pose

ros2 topic list -t 将返回相同的 topics 列表，但是在括号中附加了 topic 类型:

/parameter_events [rcl_interfaces/msg/ParameterEvent]
/rosout [rcl_interfaces/msg/Log]
/turtle1/cmd_vel [geometry_msgs/msg/Twist]
/turtle1/color_sensor [turtlesim/msg/Color]
/turtle1/pose [turtlesim/msg/Pose]

这些属性，特别是类型，使得不同节点能够在信息在 topics 上传递时，知晓不同节点在交换同样对应的信息。

如果你想知道这些 topics 在 rqt_graph 中的位置，你可以取消勾选 Hide: 下的所有选项:

不过暂时我们还是保持这些选项勾选，以避免看起来太乱导致的混淆。

4 ros2 topic echo 

要查看在某个 topic 上发布的数据，使用:

ros2 topic echo <topic_name>

因为我们知道 /teleop_turtle 在 /turtlesim 上发布数据，通过 /turtle1/cmd_vel topic，让我们使用 echo 来 introspect 这个 topic:

ros2 topic echo /turtle1/cmd_vel

一开始，这个命令不会返回任何数据。这是因为它在等待 /teleop_turtle 发布数据。

回到 turtle_teleop_key 运行的终端，使用方向键移动乌龟。同时观察 echo 运行的终端，你会看到每次移动都会发布位置数据:

linear:
  x: 2.0
  y: 0.0
  z: 0.0
angular:
  x: 0.0
  y: 0.0
  z: 0.0
  ---

现在回到 rqt_graph 并取消勾选 Debug 选项。

你会看到 /_ros2cli_26646 是刚刚运行的 echo 命令创建的节点（数字可能不同）。现在你可以看到发布者在 cmd_vel topic 上发布数据，有两个订阅者订阅了它。

5 ros2 topic info 

Topics 不仅局限于一对一的通信；它们可以是一对多、多对一或多对多的。

另外一个查看通信情况的方式是运行:

ros2 topic info /turtle1/cmd_vel

这将返回:

Type: geometry_msgs/msg/Twist
Publisher count: 1
Subscription count: 2

6 ros2 interface show 

节点(nodes)使用消息(message)在 topics 上发送数据。发布者(publishers)和订阅者(subscribers)必须发送和接收相同类型的消息才能通信。

我们在运行 ros2 topic list -t 后看到的 topic 类型让我们知道每个 topic 使用的消息类型。还记得 cmd_vel topic 的类型是:

geometry_msgs/msg/Twist

这意味着在 geometry_msgs 包中有一个叫 Twist 的 msg。

现在我们可以运行 ros2 interface show <msg_type> 来了解消息的细节。具体来说，就是消息期望的数据结构是什么。

ros2 interface show geometry_msgs/msg/Twist

对于上面的消息类型，它返回:

# This expresses velocity in free space broken into its linear and angular parts.

    Vector3  linear
            float64 x
            float64 y
            float64 z
    Vector3  angular
            float64 x
            float64 y
            float64 z

这告诉你 /turtlesim 节点期望一个包含两个向量的消息， linear 和 angular，每个向量有三个元素。如果你还记得我们用 echo 命令看到 /teleop_turtle 传递给 /turtlesim 的数据，它就是这个结构:

linear:
  x: 2.0
  y: 0.0
  z: 0.0
angular:
  x: 0.0
  y: 0.0
  z: 0.0
  ---

7 ros2 topic pub 

现在你知道了消息结构，你可以直接从命令行发布数据到某个 topic:

ros2 topic pub <topic_name> <msg_type> '<args>'

'<args>' 参数是你将传递给 topic 的实际数据，描述在你在上一节发现的那个数据结构里。

小乌龟（当然也是通常情况下它所代指/仿真的机器人真机）需要一个稳定的命令流来连续地控制移动。所以，为了让小乌龟移动并保持移动，你可以使用以下命令。很重要的一点是这个参数需要使用 YAML 语法输入。输入完整的命令如下:

ros2 topic pub /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/msg/Twist "{linear: {x: 2.0, y: 0.0, z: 0.0}, angular: {x: 0.0, y: 0.0, z: 1.8}}"

在没有额外的命令行选项时，ros2 topic pub 以 1 Hz 的速率连续发布命令。

有时你可能只想向 topic 发布一次数据（而不是连续发布）。这时你可以添加 --once 选项。

ros2 topic pub --once -w 2 /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/msg/Twist "{linear: {x: 2.0, y: 0.0, z: 0.0}, angular: {x: 0.0, y: 0.0, z: 1.8}}"

--once 是一个可选参数，意味着“发布一次消息然后退出”。

-w 2 是一个可选参数，意味着“等待两个匹配的订阅”。这个场景下需要这个参数，因为我们既有 turtlesim 也有 topic echo 订阅了这个 topic。

你会在终端看到以下输出:

Waiting for at least 2 matching subscription(s)...
publisher: beginning loop
publishing #1: geometry_msgs.msg.Twist(linear=geometry_msgs.msg.Vector3(x=2.0, y=0.0, z=0.0), angular=geometry_msgs.msg.Vector3(x=0.0, y=0.0, z=1.8))

然后你会看到小乌龟移动:

你可以刷新 rqt_graph 来查看发生了什么。你会看到 ros2 topic pub ... 节点（ /_ros2cli_30358 ）正在 /turtle1/cmd_vel topic 上发布数据，这个数据被 ros2 topic echo ... 节点（ /_ros2cli_26646 ）和 /turtlesim 节点接收到了。

最后，你可以在 pose topic 上运行 echo 命令并重新检查 rqt_graph:

ros2 topic echo /turtle1/pose

你会看到 /turtlesim 节点也在 pose topic 上发布数据，新的 echo 节点已经订阅了这个 topic。

当发布带有时间戳的消息时，pub 有两种方法可以自动填充当前时间。对于带有 std_msgs/msg/Header 的消息，可以将 header 字段设置为 auto 来填充 stamp 字段。

ros2 topic pub /pose geometry_msgs/msg/PoseStamped '{header: "auto", pose: {position: {x: 1.0, y: 2.0, z: 3.0}}}'

如果消息不使用完整的头部(header)，而只是一个带有类型为 builtin_interfaces/msg/Time 的字段，可以将其设置为值 now。

ros2 topic pub /reference sensor_msgs/msg/TimeReference '{header: "auto", time_ref: "now", source: "dumy"}'

8 ros2 topic hz 

You can also view the rate at which data is published using:

ros2 topic hz /turtle1/pose

它会返回 /turtlesim 节点发布数据到 pose topic 的速率。

average rate: 59.354
  min: 0.005s max: 0.027s std dev: 0.00284s window: 58

回想一下，你使用 ros2 topic pub --rate 1 设置 turtle1/cmd_vel 的发布速率为稳定的 1 Hz。如果你用 turtle1/cmd_vel 替换上面的命令，你会看到一个反映这个速率的平均值。

9 ros2 topic bw 

The bandwidth used by a topic can be viewed using:

ros2 topic bw /turtle1/pose

It returns the bandwidth utilization and number of messages being published to the /turtle1/pose topic.

Subscribed to [/turtle1/pose]
1.51 KB/s from 62 messages
    Message size mean: 0.02 KB min: 0.02 KB max: 0.02 KB

10 ros2 topic find 

To list a list of available topics of a given type use:

ros2 topic find <topic_type>

Recall that the cmd_vel topic has the type:

geometry_msgs/msg/Twist

Using the find command outputs topics available when given the message type:

ros2 topic find geometry_msgs/msg/Twist

This outputs:

/turtle1/cmd_vel