ROS2 话题通信

话题概念

在 ROS 2 中，**话题（Topic）**是节点之间进行单向、异步消息通信的重要机制。

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。

• 发布者负责向某个话题发送消息；
• 订阅者负责从某个话题接收消息；
• 只要话题名称一致且消息类型匹配，节点之间就可以完成通信。

发布者节点 → 话题 (Topic) → 订阅者节点

说明示例 发布者不断发送字符串 "Hello ROS 2"；订阅者监听同一个话题并打印收到的字符串。 显然，话题通信中需要至少两个节点，一个为发布者节点，一个为订阅者节点。

话题通信的特点

ROS 2 话题通信具有以下特点：

• 异步通信：发送方和接收方无需同步阻塞等待；
• 一对多 / 多对多：一个发布者可对应多个订阅者，一个话题也可被多个发布者使用；
• 解耦合：节点之间不需要直接知道对方程序细节，只需约定好话题名和消息类型。

异步的含义

异步表示发布者发布消息后，订阅者并不一定立即接收到消息。即不是同步通信。

Python 发布者/订阅者程序的基本构成

• 导入 rclpy；
• 导入 Node 基类；
• 导入消息类型，例如 std_msgs.msg.String；
• 定义节点类；
• 在节点中创建 publisher 或 subscription；
• 编写回调函数；
• 在 main() 中初始化、创建节点并执行 spin()。

学习内容五：话题通信实践

（一）创建实验功能包

进入工作空间 src 目录，创建 Python 功能包：

ros2 pkg create learn_topic --build-type ament_python --dependencies rclpy std_msgs

说明注意 这里依赖多了一个 std_msgs，std_msgs 是 ROS 2 常用标准消息包。接下来的部分要使用 String 消息类型。

（二）编写发布者节点

回调函数：用于处理订阅消息、服务请求、定时器触发等事件的核心机制。ROS 2 使用基于 rclcpp（C++）或 rclpy（Python）的异步执行模型，通过回调函数响应各种事件。主要有订阅者（Subscriber）回调，定时器（Timer）回调，服务（Service）回调。

import rclpy                                     # ROS2 Python接口库
from rclpy.node import Node                      # ROS2 节点类
from std_msgs.msg import String                  # 字符串消息类型

"""
创建一个发布者节点
"""
class PublisherNode(Node):
    def __init__(self, node_name:str, topic_name: str):
        super().__init__(node_name)
        
        # 由于节点时继承自Node类，在Node类中已经实现了通过create_publisher方法来创建一个发布者 
        # msg_type表示传递的消息类型，topic表示话题通信的名称，对于发布者和订阅者要统一，qos_profile设置为10即可，不用深究
        self.publisher_ = self.create_publisher(msg_type=String,topic=topic_name,qos_profile=10) # 创建发布者对象

        # 创建一个定时器，表示每0.5秒执行一次timer_callback这个回调函数，也就是我们要实现的发布者要发布的消息都在回调函数中实现
        self.timer_ = self.create_timer(timer_period_sec=0.5, callback = self.timer_callback)

        self.i = 0

    def timer_callback(self):                                     # 创建定时器周期执行的回调函数
        msg = String()                                            # 创建一个String类型的消息对象
        msg.data = f'Hello ROS 2: [{self.i}]'                     # 填充消息对象中的消息数据
        self.publisher_.publish(msg)                               # 发布话题消息
        self.get_logger().info('已发布消息: "%s"' % msg.data)     # 输出日志信息，提示已经完成话题发布
        self.i += 1

def main(args = None):
    rclpy.init(args=args)
    pub_node = PublisherNode(node_name='pub',topic_name='learn_topic')  # 节点名 pub，话题名 learn_topic（要和订阅者一致）
    rclpy.spin(pub_node) # 启动节点
    pub_node.destroy_node()
    rclpy.shutdown()

（三）编写订阅者节点

订阅者通过 create_subscription() 订阅话题，并在回调函数中处理接收到的消息。

import rclpy                      # ROS2 Python接口库
from rclpy.node   import Node     # ROS2 节点类
from std_msgs.msg import String   # ROS2标准定义的String消息

"""
创建一个订阅者节点
"""
class SubscriberNode(Node):
    def __init__(self, node_name:str, topic_name: str):
        super().__init__(node_name)                             # ROS2节点父类初始化
        self.sub = self.create_subscription(
            String, topic_name, self.listener_callback, 10) # 创建订阅者对象（消息类型、话题名、订阅者回调函数、队列长度）

    def listener_callback(self, msg: String):                      # 创建回调函数，执行收到话题消息后对数据的处理  
        self.get_logger().info(f'订阅到的数据：{msg.data}') # 输出日志信息，提示订阅收到的话题消息

def main(args=None):
    rclpy.init(args=args)
    sub_node = SubscriberNode(node_name='sub',topic_name='learn_topic')
    rclpy.spin(sub_node) # 启动节点
    sub_node.destroy_node()
    rclpy.shutdown()

if __name__ == '__main__':
    main()

（四）修改 setup.py

entry_points={
    'console_scripts': [
        'publisher = learn_topic.node_pub:main',
        'subscriber = learn_topic.node_sub:main',
    ],
},

（五）编译功能包

返回工作空间根目录，编译并加载环境：

colcon build
source install/setup.bash

（六）运行发布者与订阅者节点

1. 运行发布者节点

打开第一个终端：

cd lq_ws/
source install/setup.bash
ros2 run learn_topic publisher

2. 运行订阅者节点

第一个终端不关闭，打开第二个终端：

cd lq_ws/
source install/setup.bash
ros2 run learn_topic subscriber

运行结果如下：

使用命令行工具验证话题通信

1. 查看当前话题列表

ros2 topic list

2. 查看话题消息内容

ros2 topic echo /learn_topic # 注意替换为自己的消息名称

将持续显示发布者发送的消息内容。

3. 查看话题信息

ros2 topic info /learn_topic

可查看该话题的消息类型以及发布者/订阅者数量。