通信接口
在ROS系统中，无论话题还是服务，或者我们后续将要学习的动作，都会用到一个重要的概念——通信接口。
通信并不是一个人自言自语，而是两个甚至更多个人，你来我往的交流，交流的内容是什么呢？为了让大家都好理解，我们可以给传递的数据定义一个标准的结构，这就是通信接口。
接口的定义
接口的概念在各个领域随处可见，无论是硬件结构还是软件开发，都有广泛的应用。
比如生活中最为常见的插头和插座，两者必须匹配才能使用，电脑和手机上的USB接口也是，什么Micro-USB、TypeC等等，都是关于接口的具体定义。
软件开发中，接口的使用就更多了，比如我们在编写程序时，使用的函数和函数的输入输出也称之为接口，每一次调用函数的时候，就像是把主程序和调用函数通过这个接口连接到一起，系统才能正常工作。
更为形象的是图形化编程中使用的程序模块，每一个模块都有固定的结构和形状，只有两个模块相互匹配，才能在一起工作，这就很好的讲代码形象化了。
所以什么是接口，它是一种相互关系，只有彼此匹配，才能建立连接。
回到ROS的通信系统，它的主要目的就是传输数据，那就得让大家高效的建立连接，并且准确包装和解析传输的数据内容，话题、服务等机制也就诞生了，他们传输的数据，都要符合通信接口的标准定义。
比如摄像头驱动发布的图像话题，由每个像素点的R、G、B三原色值组成，控制机器人运动的速度指令，由线速度和角速度组成，进行机器人配置的服务，有配置的参数和反馈的结果组成等等，类似这些常用的定义，在ROS系统中都有提供，我们也可以自己开发。
这些接口看上去像是给我们加了一些约束，但却是ROS系统的精髓所在。举个例子，我们使用相机驱动节点的时候，完全不用关注它是如何驱动相机的，只要一句话运行，我们就可以知道发布出来的图像数据是什么样的了，直接开始我们的应用开发；类似的，键盘控制我们也可以安装一个ROS包，如何实现的呢？不用关心，反正它发布出来的肯定是线速度和角速度。
ROS通信接口
接口可以让程序之间的依赖降低，便于我们使用别人的代码，也方便别人使用我们的代码，这就是ROS的核心目标，减少重复造轮子。
ROS有三种常用的通信机制，分别是话题、服务、动作，通过每一种通信种定义的接口，各种节点才能有机的联系到一起。
语言无关
为了保证每一个节点可以使用不同语言编程，ROS将这些接口的设计做成了和语言无关的，比如这里看到的int32表示32位的整型数，int64表示64位的整型数，bool表示布尔值，还可以定义数组、结构体，这些定义在编译过程中，会自动生成对应到C++、Python等语言里的数据结构。
-
话题通信接口的定义使用的是.msg文件，由于是单向传输，只需要描述传输的每一帧数据是什么就行，比如在这个定义里，会传输两个32位的整型数，x、y，我们可以用来传输二维坐标的数值。
-
服务通信接口的定义使用的是.srv文件，包含请求和应答两部分定义，通过中间的“---”区分，比如之前我们学习的加法求和功能，请求数据是两个64位整型数a和b，应答是求和的结果sum。
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动作是另外一种通信机制，用来描述机器人的一个运动过程，使用.action文件定义，比如我们让小海龟转90度，一边转一边周期反馈当前的状态，此时接口的定义分成了三个部分，分别是动作的目标，比如是开始运动，运动的结果，最终旋转的90度是否完成，还有一个周期反馈，比如每隔1s反馈一下当前转到第10度、20度还是30度了，让我们知道运动的进度。
标准接口
大家可能好奇ROS系统到底给我们定义了哪些接口呢？我们可以在ROS安装路径中的share文件夹中找到，涵盖众多标准定义，大家可以打开几个看看。
案例一：服务接口的定义与使用
了解了通信接口的概念，接下来我们再从代码实现的角度，研究下如何定义以及使用一个接口。
在之前服务概念讲解的课程中，我们编写了这样一个例程，我们再来回顾下。
有三个节点，第一个驱动相机发布图像话题，第二个是机器视觉识别节点，封装了一个服务的服务端对象，提供目标识别位置的查询服务，第三个节点在需要目标位置的时候，就可以发送请求，收到位置进行使用了。
接口定义
在这个例程中，我们使用GetObjectPosition.srv定义了服务通信的接口：
learning_interface/srv/GetObjectPosition.srv
bool get # 获取目标位置的指令
---
int32 x # 目标的X坐标
int32 y # 目标的Y坐标
定义中有两个部分，上边是获取目标位置的指令，get为true的话，就表示我们需要一次位置，服务端就会反馈这个x、y坐标了。
完成定义后，还需要在功能包的CMakeLists.txt中配置编译选项，让编译器在编译过程中，根据接口定义，自动生成不同语言的代码：
...
find_package(rosidl_default_generators REQUIRED)
rosidl_generate_interfaces(${PROJECT_NAME}
"srv/GetObjectPosition.srv"
)
...
功能包的package.xml文件中也需要添加代码生成的功能依赖：
...
<build_depend>rosidl_default_generators</build_depend>
<exec_depend>rosidl_default_runtime</exec_depend>
<member_of_group>rosidl_interface_packages</member_of_group>
...
程序调用
我们在代码中再来重点看下接口的使用方法。
客户端接口调用
learning_service/service_object_client.py
#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-
"""
@作者: 古月居(www.guyuehome.com)
@说明: ROS2服务示例-请求目标识别，等待目标位置应答
"""
import rclpy # ROS2 Python接口库
from rclpy.node import Node # ROS2 节点类
from learning_interface.srv import GetObjectPosition # 自定义的服务接口
class objectClient(Node):
def __init__(self, name):
super().__init__(name) # ROS2节点父类初始化
self.client = self.create_client(GetObjectPosition, 'get_target_position')
while not self.client.wait_for_service(timeout_sec=1.0):
self.get_logger().info('service not available, waiting again...')
self.request = GetObjectPosition.Request()
def send_request(self):
self.request.get = True
self.future = self.client.call_async(self.request)
def main(args=None):
rclpy.init(args=args) # ROS2 Python接口初始化
node = objectClient("service_object_client") # 创建ROS2节点对象并进行初始化
node.send_request()
while rclpy.ok():
rclpy.spin_once(node)
if node.future.done():
try:
response = node.future.result()
except Exception as e:
node.get_logger().info(
'Service call failed %r' % (e,))
else:
node.get_logger().info(
'Result of object position:\n x: %d y: %d' %
(response.x, response.y))
break
node.destroy_node() # 销毁节点对象
rclpy.shutdown() # 关闭ROS2 Python接口
服务端接口调用
learning_service/service_object_server.py
#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-
"""
@作者: 古月居(www.guyuehome.com)
@说明: ROS2服务示例-提供目标识别服务
"""
import rclpy # ROS2 Python接口库
from rclpy.node import Node # ROS2 节点类
from sensor_msgs.msg import Image # 图像消息类型
import numpy as np # Python数值计算库
from cv_bridge import CvBridge # ROS与OpenCV图像转换类
import cv2 # Opencv图像处理库
from learning_interface.srv import GetObjectPosition # 自定义的服务接口
lower_red = np.array([0, 90, 128]) # 红色的HSV阈值下限
upper_red = np.array([180, 255, 255]) # 红色的HSV阈值上限
class ImageSubscriber(Node):
def __init__(self, name):
super().__init__(name) # ROS2节点父类初始化
self.sub = self.create_subscription(
Image, 'image_raw', 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）
self.cv_bridge = CvBridge() # 创建一个图像转换对象，用于OpenCV图像与ROS的图像消息的互相转换
self.srv = self.create_service(GetObjectPosition, # 创建服务器对象（接口类型、服务名、服务器回调函数）
'get_target_position',
self.object_position_callback)
self.objectX = 0
self.objectY = 0
def object_detect(self, image):
hsv_img = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2HSV) # 图像从BGR颜色模型转换为HSV模型
mask_red = cv2.inRange(hsv_img, lower_red, upper_red) # 图像二值化
contours, hierarchy = cv2.findContours(
mask_red, cv2.RETR_LIST, cv2.CHAIN_APPROX_NONE) # 图像中轮廓检测
for cnt in contours: # 去除一些轮廓面积太小的噪声
if cnt.shape[0] < 150:
continue
(x, y, w, h) = cv2.boundingRect(cnt) # 得到苹果所在轮廓的左上角xy像素坐标及轮廓范围的宽和高
cv2.drawContours(image, [cnt], -1, (0, 255, 0), 2)# 将苹果的轮廓勾勒出来
cv2.circle(image, (int(x+w/2), int(y+h/2)), 5,
(0, 255, 0), -1) # 将苹果的图像中心点画出来
self.objectX = int(x+w/2)
self.objectY = int(y+h/2)
cv2.imshow("object", image) # 使用OpenCV显示处理后的图像效果
cv2.waitKey(50)
def listener_callback(self, data):
self.get_logger().info('Receiving video frame') # 输出日志信息，提示已进入回调函数
image = self.cv_bridge.imgmsg_to_cv2(data, 'bgr8') # 将ROS的图像消息转化成OpenCV图像
self.object_detect(image) # 苹果检测
def object_position_callback(self, request, response): # 创建回调函数，执行收到请求后对数据的处理
if request.get == True:
response.x = self.objectX # 目标物体的XY坐标
response.y = self.objectY
self.get_logger().info('Object position\nx: %d y: %d' %
(response.x, response.y)) # 输出日志信息，提示已经反馈
else:
response.x = 0
response.y = 0
self.get_logger().info('Invalid command') # 输出日志信息，提示已经反馈
return response
def main(args=None): # ROS2节点主入口main函数
rclpy.init(args=args) # ROS2 Python接口初始化
node = ImageSubscriber("service_object_server") # 创建ROS2节点对象并进行初始化
rclpy.spin(node) # 循环等待ROS2退出
node.destroy_node() # 销毁节点对象
rclpy.shutdown() # 关闭ROS2 Python接口
案例二：话题接口的定义与使用
话题通信接口的定义也是类似的，继续从之前的机器视觉案例中来衍生，我们想把服务换成话题，周期发布目标识别的位置，不管有没有人需要。
运行效果
现在我们会运行三个节点：
- 第一个节点，将驱动相机并发布图像话题，此时的话题数据使用的是ROS中标准定义的Image图像消息；
- 第二个节点，会运行视觉识别功能，识别目标的位置，这个位置我们希望封装成话题消息，发布出去，谁需要使用谁就来订阅；
- 第三个节点，订阅位置话题，打印到终端中。
启动三个终端，分别运行以上节点：
$ ros2 run usb_cam usb_cam_node_exe
$ ros2 run learning_topic interface_object_pub
$ ros2 run learning_topic interface_object_sub
接口定义
在这个例程中，我们使用ObjectPosition.msg定义了服务通信的接口：
learning_interface/msg/ObjectPosition.msg
int32 x # 表示目标的X坐标
int32 y # 表示目标的Y坐标
话题消息的内容是一个位置，我们使用x、y坐标值进行描述。
完成定义后，还需要在功能包的CMakeLists.txt中配置编译选项，让编译器在编译过程中，根据接口定义，自动生成不同语言的代码：
...
find_package(rosidl_default_generators REQUIRED)
rosidl_generate_interfaces(${PROJECT_NAME}
"msg/ObjectPosition.msg"
)
...
程序调用
我们在代码中再来重点看下接口的使用方法。
发布者接口调用
learning_topic/interface_object_pub.py
#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-
"""
@作者: 古月居(www.guyuehome.com)
@说明: ROS2接口示例-发布目标位置
"""
import rclpy # ROS2 Python接口库
from rclpy.node import Node # ROS2 节点类
from sensor_msgs.msg import Image # 图像消息类型
from cv_bridge import CvBridge # ROS与OpenCV图像转换类
import cv2 # Opencv图像处理库
import numpy as np # Python数值计算库
from learning_interface.msg import ObjectPosition # 自定义的目标位置消息
lower_red = np.array([0, 90, 128]) # 红色的HSV阈值下限
upper_red = np.array([180, 255, 255]) # 红色的HSV阈值上限
"""
创建一个订阅者节点
"""
class ImageSubscriber(Node):
def __init__(self, name):
super().__init__(name) # ROS2节点父类初始化
self.sub = self.create_subscription(
Image, 'image_raw', 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）
self.pub = self.create_publisher(
ObjectPosition, "object_position", 10) # 创建发布者对象（消息类型、话题名、队列长度）
self.cv_bridge = CvBridge() # 创建一个图像转换对象，用于OpenCV图像与ROS的图像消息的互相转换
self.objectX = 0
self.objectY = 0
def object_detect(self, image):
hsv_img = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2HSV) # 图像从BGR颜色模型转换为HSV模型
mask_red = cv2.inRange(hsv_img, lower_red, upper_red) # 图像二值化
contours, hierarchy = cv2.findContours(
mask_red, cv2.RETR_LIST, cv2.CHAIN_APPROX_NONE) # 图像中轮廓检测
for cnt in contours: # 去除一些轮廓面积太小的噪声
if cnt.shape[0] < 150:
continue
(x, y, w, h) = cv2.boundingRect(cnt) # 得到苹果所在轮廓的左上角xy像素坐标及轮廓范围的宽和高
cv2.drawContours(image, [cnt], -1, (0, 255, 0), 2) # 将苹果的轮廓勾勒出来
cv2.circle(image, (int(x+w/2), int(y+h/2)), 5, # 将苹果的图像中心点画出来
(0, 255, 0), -1)
self.objectX = int(x+w/2)
self.objectY = int(y+h/2)
cv2.imshow("object", image) # 使用OpenCV显示处理后的图像效果
cv2.waitKey(50)
def listener_callback(self, data):
self.get_logger().info('Receiving video frame') # 输出日志信息，提示已进入回调函数
image = self.cv_bridge.imgmsg_to_cv2(data, 'bgr8') # 将ROS的图像消息转化成OpenCV图像
position = ObjectPosition()
self.object_detect(image) # 苹果检测
position.x, position.y = int(self.objectX), int(self.objectY)
self.pub.publish(position) # 发布目标位置
def main(args=None): # ROS2节点主入口main函数
rclpy.init(args=args) # ROS2 Python接口初始化
node = ImageSubscriber("topic_webcam_sub") # 创建ROS2节点对象并进行初始化
rclpy.spin(node) # 循环等待ROS2退出
node.destroy_node() # 销毁节点对象
rclpy.shutdown() # 关闭ROS2 Python接口
订阅者接口调用
learning_topic/interface_object_sub.py
#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-
"""
@作者: 古月居(www.guyuehome.com)
@说明: ROS2接口示例-订阅目标位置
"""
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
from learning_interface.msg import ObjectPosition # 自定义的目标位置消息
"""
创建一个订阅者节点
"""
class SubscriberNode(Node):
def __init__(self, name):
super().__init__(name) # ROS2节点父类初始化
self.sub = self.create_subscription(\
ObjectPosition, "/object_position", 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): # 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('Target Position: "(%d, %d)"' % (msg.x, msg.y))# 输出日志信息，提示订阅收到的话题消息
def main(args=None): # ROS2节点主入口main函数
rclpy.init(args=args) # ROS2 Python接口初始化
node = SubscriberNode("interface_position_sub") # 创建ROS2节点对象并进行初始化
rclpy.spin(node) # 循环等待ROS2退出
node.destroy_node() # 销毁节点对象
rclpy.shutdown() # 关闭ROS2 Python接口
接口命令行操作
接口命令的常用操作如下：
$ ros2 interface list # 查看系统接口列表
$ ros2 interface show <interface_name> # 查看某个接口的详细定义
$ ros2 interface package <package_name> # 查看某个功能包中的接口定义
参考链接
https://docs.ros.org/en/humble/Concepts/About-ROS-Interfaces.html
https://docs.ros.org/en/humble/Tutorials/Single-Package-Define-And-Use-Interface.html
本系列视频公开课：https://class.guyuehome.com/detail/p_628f4288e4b01c509ab5bc7a/6
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