ROS话题(Topic)通信：自定义msg

在 ROS 通信协议中，数据是以约定好的结构传输的，即数据类型，比如Topic使用的msg，Service使用的srv，ROS 中的 std_msgs 封装了一些原生的数据类型，比如：Bool、Char、Float32、Int64、String等，但这些类型结构简单，常常不能满足我们的需要，这时我们可以使用自定义的消息类型。

比如我们创建一个自定义消息，定义一个机器人的ID，位置（x, y）。

一、创建RobotPose.msg

我们仍然使用前文创建的 topic_hello_world 功能包，结构如下：

在这里插入图片描述

在src的同级目录创建 msg 目录，在msg目录创建 RobotPose.msg 文件，内容如下：

string id
float64 x
float64 y
float64 angle

二、配置编译文件

需要对 CMakeLists.txt 作以下修改：

2.1 添加message_generation功能包

message_generation功能包，在构建时根据msg和srv生成消息和服务的接口文件（比如C++头文件和Python包），以便在 ROS 节点中使用。

find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS
  roscpp
  rospy
  std_msgs
  message_generation
)

注意这里需要同时在package.xml中添加以下内容：

<build_depend>message_generation</build_depend>

2.2 添加msg文件

添加自定义msg，该函数依赖message_generation功能包。

add_message_files(
  FILES
  RobotPose.msg
)

2.3 配置依赖并生成接口文件

添加处理msg或srv所需要的依赖，并生成接口文件，该函数依赖message_generation功能包。

generate_messages(
  DEPENDENCIES
  std_msgs
)

2.4 添加message_runtime依赖

message_runtime 用于在运行时提供消息的序列化和反序列化支持。

这里注意，有时可能会看到没有显式添加 message_runtime 也能正常运行，这通常是因为其他依赖项（例如roscpp 或 std_msgs）可能已经隐含地包含了 message_runtime。在这种情况下，构建系统已经处理了消息生成的任务。

然而，为了确保你的软件包在所有情况下都能正常工作，最好显示添加 message_runtime 作为你的软件包的依赖项。这样可以确保你的消息定义在构建和运行时得到正确处理。

需要对 CMakeLists.txt 作以下修改：

catkin_package(
  CATKIN_DEPENDS roscpp rospy std_msgs message_runtime
)

同时在package.xml中添加以下内容：

<exec_depend>message_runtime</exec_depend>

节外生枝的小知识：

catkin_package 是在ROS软件包的 CMakeLists.txt 文件中用于配置Catkin软件包的一条命令。它主要用于描述ROS软件包的元信息，并在构建系统中定义软件包的依赖关系。以下是 catkin_package 的一般用途：
软件包元信息配置： catkin_package 允许你指定软件包的元信息，例如软件包的名称、版本、作者、描述等。这些信息将用于标识和描述你的ROS软件包。
cmakeCopy codecatkin_package(
   NAME your_package_name
   VERSION 0.1.0
   DESCRIPTION "Your package description"
   AUTHOR "Your Name"
 )
设置软件包的依赖项： catkin_package 允许你指定你的软件包依赖于其他ROS软件包的哪些部分。这些依赖项将在构建和运行时被解析和满足。
cmakeCopy codecatkin_package(
   ...
   CATKIN_DEPENDS roscpp std_msgs message_runtime
 )
导出软件包的目标： 通过 ${PROJECT_NAME}_EXPORTED_TARGETS 这样的参数，你可以导出软件包的目标，以便其他软件包能够正确地依赖你的软件包，并包含所有必要的目标。
cmakeCopy codecatkin_package(
   ...
   EXPORTED_TARGETS ${PROJECT_NAME}_EXPORTED_TARGETS
 )
总体而言，catkin_package 提供了一个中心化的地方，用于指定ROS软件包的基本信息和配置，以便构建系统和其他软件包能够正确地使用和依赖你的软件包。在ROS中，它是配置软件包最重要的命令之一。

三、实现发布者与订阅者（C++版）

3.1 源码

在创建的 topic_hello_world 包路径的 src 目录中创建 user_msg_pub.cpp 以实现发布者，编辑内容如下：

#include <ros/ros.h>
#include "topic_hello_world/RobotPose.h"

int main(int argc, char **argv)
{
    ros::init(argc, argv, "user_msg_pub");
    ros::NodeHandle nh;

    ros::Publisher pose_pub = nh.advertise<topic_hello_world::RobotPose>("/robot_pose", 10);

    topic_hello_world::RobotPose pose;
    pose.id = "vbot";
    pose.x = 23.6;
    pose.y = 12.8;
    pose.angle = 90.0;

    while(ros::ok())
    {
        pose_pub.publish(pose);
        ROS_INFO("Pub robot: %s, pose(%lf, %lf, %lf)", pose.id.c_str(), pose.x, pose.y, pose.angle);
        ros::Duration(1).sleep();
        ros::spinOnce();
    }

    return 0;
}

创建 user_msg_sub.cpp 以实现订阅者，编辑内容如下：

#include <ros/ros.h>
#include "topic_hello_world/RobotPose.h"

void robotPoseCallback(const topic_hello_world::RobotPose::ConstPtr &pose)
{
    ROS_INFO("Sub robot: %s, pose(%lf, %lf, %lf)", pose->id.c_str(), pose->x, pose->y, pose->angle);
}

int main(int argc, char **argv)
{
    ros::init(argc, argv, "user_msg_sub");
    ros::NodeHandle nh;
    ros::Subscriber pose_sub = nh.subscribe<topic_hello_world::RobotPose>("/robot_pose", 10, robotPoseCallback);

    ros::spin();

    return 0;
}

修改 CMakeLists.txt ，只需添加如下内容：

add_executable(${PROJECT_NAME}_user_msg_pub src/user_msg_pub.cpp)
add_executable(${PROJECT_NAME}_user_msg_sub src/user_msg_sub.cpp)
    
target_link_libraries(${PROJECT_NAME}_user_msg_pub
  ${catkin_LIBRARIES}
)

target_link_libraries(${PROJECT_NAME}_user_msg_sub
  ${catkin_LIBRARIES}
)

3.2 编译运行

进入工作空间执行 catkin_make 命令编译工程，你可能会遇到如下错误：

在这里插入图片描述

这是因为上文提到的message_generation功能包，在它编译自定义msg生成对应接口文件之前，编译了c++源文件，但这时头文件RobotPose.h还没有生成，所以报错了。

到这里你有没有发现，如果各功能包间有依赖关系，他们的编译是有先后顺序的，那我们怎么控制这个先后顺序呢？答案是：不需要。哈哈，CMake已经替我们做了，我们只需告诉它哪个模块需要什么依赖，CMake内部会自动分析项目中的依赖关系，并根据这些依赖关系计算一个拓扑排序。然后，CMake会按照这个顺序处理各个功能包，以确保在构建过程中满足所有依赖关系。

我们可以在 CMakeLists.txt中使用 add_dependencies() 来添加这个依赖关系，语法如下：

add_dependencies(target_name dependency_target_name)

其中，target_name 是要添加依赖关系的目标名称，dependency_target_name 是要添加的依赖目标名称。

例如，如果你有一个名为 my_node 的目标，你想要添加一个名为 my_dependency 的库作为其依赖项，可以使用以下命令：

add_dependencies(my_node my_dependency)

所以，为解决上述报错，我们在 topic_hello_world/CMakeLists.txt中添加如下内容：

# 注意他们要放在add_executable之后，即先告诉CMake是哪个节点，再告诉CMake它需要什么依赖
add_dependencies(${PROJECT_NAME}_user_msg_pub ${PROJECT_NAME}_generate_messages_cpp)
add_dependencies(${PROJECT_NAME}_user_msg_sub ${PROJECT_NAME}_generate_messages_cpp)

其中，第一项是我们生成的节点，第二项 ${PROJECT_NAME}_generate_messages_cpp 是一个用于生成消息类型的C++文件的宏，它的作用是根据 .msg 和 .srv 文件生成对应的 .h 和 .cpp 文件。

3.3 节外生枝的小知识：

在ROS软件包的构建过程中，除了${PROJECT_NAME}_generate_messages_cpp，还有一些其他与消息生成和编译相关的宏。这些宏通常都是与 Catkin 工具链和 ROS 构建系统的一部分。

以下是一些常见的与消息生成相关的宏：
${PROJECT_NAME}_generate_messages： 这个宏表示生成所有与消息相关的任务。通常，在调用 catkin_package(...) 时，CATKIN_DEPENDS 部分会包含 ${PROJECT_NAME}_generate_messages，以确保在构建软件包时执行消息生成任务。
catkin_package(
  CATKIN_DEPENDS 
  roscpp 
  std_msgs 
  message_runtime
  ${PROJECT_NAME}_generate_messages
)
${PROJECT_NAME}_generate_messages_py： 类似于 ${PROJECT_NAME}_generate_messages_cpp，这个宏用于指定生成与消息相关的Python代码的路径。当你的ROS软件包包含使用Python编写的节点或服务时，可能会用到这个宏。
${PROJECT_NAME}_EXPORTED_TARGETS： 这个宏用于导出所有与软件包相关的目标，包括消息生成任务。通常，在调用 catkin_package(...) 时，EXPORTED_TARGETS 部分会包含 ${PROJECT_NAME}_EXPORTED_TARGETS，以确保其他软件包能够正确地依赖你的软件包，并包括所有必要的目标。
cmakeCopy codecatkin_package(
  ...
  INCLUDE_DIRS include
  LIBRARIES ${PROJECT_NAME}_library
  CATKIN_DEPENDS roscpp std_msgs message_runtime
  DEPENDS system_lib
  EXPORTED_TARGETS ${PROJECT_NAME}_EXPORTED_TARGETS
)
请注意，具体的宏可能会受到ROS版本、Catkin工具链版本和软件包的配置选项的影响。上述宏的名称中的 ${PROJECT_NAME} 部分会根据你的软件包的名称而变化。

3.4 编译成功后，使用如下命令依次启动发布者和订阅者。

1. 启动ros master
roscore
2. 启动发布者
rosrun topic_hello_world topic_hello_world_user_msg_pub
3. 启动订阅者
rosrun topic_hello_world topic_hello_world_user_msg_sub

结果如下：

在这里插入图片描述

目前为止，Topic Hello World 的自定义msg已经成功了。

四、实现发布者与订阅者（Python版）

4.1 源码

在 topic_hello_world 包路径下的 scripts 目录中，创建 user_msg_pub.py 以实现发布者，编辑内容如下：

#! /usr/bin python

import rospy
from topic_hello_world.msg import RobotPose


def main():
    rospy.init_node("user_msg_pub")
    pub = rospy.Publisher("/robot_pose", RobotPose, queue_size=10)
    msg = RobotPose()
    msg.id = "vbot"
    msg.x = 52.1
    msg.y = 12.6
    msg.angle = 180.0

    while not rospy.is_shutdown():
        pub.publish(msg)
        rospy.loginfo("Pub robot: {}, pose({}, {}, {})".format(msg.id, msg.x, msg.y, msg.angle))
        rospy.sleep(1)


if __name__ == "__main__":
    main()

在scrips中创建 user_msg_sub.py 以实现订阅者，编辑内容如下：

#! /usr/bin python

import rospy
from topic_hello_world.msg import RobotPose


def robotPoseCallback(msg):
    rospy.loginfo("Sub robot: {}, pose({}, {}, {})".format(msg.id, msg.x, msg.y, msg.angle))


def main():
    rospy.init_node("user_msg_sub")
    rospy.Subscriber("/robot_pose", RobotPose, robotPoseCallback, queue_size=10)

    rospy.spin()


if __name__ == "__main__":
    main()

修改 CMakeLists.txt ，只需添加如下内容：

catkin_install_python(PROGRAMS
  scripts/user_msg_pub.py
  scripts/user_msg_sub.py
  DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_BIN_DESTINATION}
)

4.2 编译运行

进入工作空间执行 catkin_make 命令编译工程，编译成功后，使用如下命令依次启动发布者和订阅者。

1. 启动ros master(如果已启动，无需再启动)
roscore
2. 启动发布者
rosrun topic_hello_world user_msg_pub.py
3. 启动订阅者
rosrun topic_hello_world user_msg_sub.py

结果如下：

在这里插入图片描述