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ROS的通信方式是ROS最为核心的概念，ROS系统的精髓就在于它提供的通信架构。ROS的通信方式有以下四种：

Topic 主题
Service 服务
Parameter Service 参数服务器
Actionlib 动作库

一 Topic

ROS中的通信方式中，topic是常用的一种。对于实时性、周期性的消息，使用topic来传输是最佳的选择。topic是一种点对点的单向通信方式，这里的“点”指的是node，也就是说node之间可以通过topic方式来传递信息。topic要经历下面几步的初始化过程：首先，publisher节点和subscriber节点都要到节点管理器进行注册，然后publisher会发布topic，subscriber在master的指挥下会订阅该topic，从而建立起sub-pub之间的通信。注意整个过程是单向的。其结构示意图如下：

Subscriber接收消息会进行处理，一般这个过程叫做回调(Callback)。所谓回调就是提前定义好了一个处理函数（写在代码中），当有消息来就会触发这个处理函数，函数会对消息进行处理。

上图就是ROS的topic通信方式的流程示意图。topic通信属于一种异步的通信方式。下面我们通过一个示例来了解下如何使用topic通信。

3.3.3 通信示例

参考下图，我们以摄像头画面的发布、处理、显示为例讲讲topic通信的流程。在机器人上的摄像头拍摄程序是一个node（圆圈表示,我们记作node1），当node1运行启动之后，它作为一个Publisher就开始发布topic。比如它发布了一个topic（方框表示），叫做/camera_rgb，是rgb颜色信息，即采集到的彩色图像。同时，node2假如是图像处理程序,它订阅了/camera_rgb这个topic，经过节点管理器的介绍，它就能建立和摄像头节点（node1）的连接。

那么怎么样来理解“异步”这个概念呢？在node1每发布一次消息之后，就会继续执行下一个动作，至于消息是什么状态、被怎样处理，它不需要了解；而对于node2图像处理程序，它只管接收和处理/camera_rgb上的消息，至于是谁发来的，它不会关心。所以node1、node2两者都是各司其责，不存在协同工作，我们称这样的通信方式是异步的。

ROS是一种分布式的架构，一个topic可以被多个节点同时发布，也可以同时被多个节点接收。比如在这个场景中用户可以再加入一个图像显示的节点，我们在想看看摄像头节点的画面，则可以用自己的笔记本连接到机器人上的节点管理器，然后在自己的电脑上启动图像显示节点。

这就体现了分布式系统通信的好处：扩展性好、软件复用率高。

总结三点：

topic通信方式是异步的，发送时调用publish()方法，发送完成立即返回，不用等待反馈。
subscriber通过回调函数的方式来处理消息。
topic可以同时有多个subscribers，也可以同时有多个publishers。ROS中这样的例子有：/rosout、/tf等等。

在实际应用中，我们应该熟悉topic的几种使用命令，下表详细的列出了各自的命令及其作用。

命令	作用
`rostopic list`	列出当前所有的topic
`rostopic info topic_name`	显示某个topic的属性信息
`rostopic echo topic_name`	显示某个topic的内容
`rostopic pub topic_name ...`	向某个topic发布内容
`rostopic bw topic_name`	查看某个topic的带宽
`rostopic hz topic_name`	查看某个topic的频率
`rostopic find topic_type`	查找某个类型的topic
`rostopic type topic_name`	查看某个topic的类型(msg)

如果你一时忘记了命令的写法，可以通过rostopic help或rostopic command -h查看具体用法。

二 Service

上一章我们介绍了ROS的通信方式中的topic(主题)通信，我们知道topic是ROS中的一种单向的异步通信方式。然而有些时候单向的通信满足不了通信要求，比如当一些节点只是临时而非周期性的需要某些数据，如果用topic通信方式时就会消耗大量不必要的系统资源，造成系统的低效率高功耗。
这种情况下，就需要有另外一种请求-查询式的通信模型。这节我们来介绍ROS通信中的另一种通信方式——service(服务)。

工作原理

简介

为了解决以上问题，service方式在通信模型上与topic做了区别。Service通信是双向的，它不仅可以发送消息，同时还会有反馈。所以service包括两部分，一部分是请求方（Clinet），另一部分是应答方/服务提供方（Server）。这时请求方（Client）就会发送一个request，要等待server处理，反馈回一个reply，这样通过类似“请求-应答”的机制完成整个服务通信。

这种通信方式的示意图如下：
Node B是server（应答方），提供了一个服务的接口，叫做/Service，我们一般都会用string类型来指定service的名称，类似于topic。Node A向Node B发起了请求，经过处理后得到了反馈。

过程

Service是同步通信方式，所谓同步就是说，此时Node A发布请求后会在原地等待reply，直到Node B处理完了请求并且完成了reply，Node A才会继续执行。Node A等待过程中，是处于阻塞状态的成通信。这样的通信模型没有频繁的消息传递，没有冲突与高系统资源的占用，只有接受请求才执行服务，简单而且高效。

topic VS service

我们对比一下这两种最常用的通信方式，加深我们对两者的理解和认识，具体见下表：

名称	Topic	Service
通信方式	异步通信	同步通信
实现原理	TCP/IP	TCP/IP
通信模型	Publish-Subscribe	Request-Reply
映射关系	Publish-Subscribe(多对多)	Request-Reply（多对一）
特点	接受者收到数据会回调（Callback）	远程过程调用（RPC）服务器端的服务
应用场景	连续、高频的数据发布	偶尔使用的功能/具体的任务
举例	激光雷达、里程计发布数据	开关传感器、拍照、逆解计算

注意：远程过程调用(Remote Procedure Call，RPC),可以简单通俗的理解为在一个进程里调用另一个进程的函数。

操作命令

在实际应用中，service通信方式的命令时rosservice，具体的命令参数如下表：

rosservice 命令	作用
`rosservice list`	显示服务列表
`rosservice info`	打印服务信息
`rosservice type`	打印服务类型
`rosservice uri`	打印服务ROSRPC uri
`rosservice find`	按服务类型查找服务
`rosservice call`	使用所提供的args调用服务
`rosservice args`	打印服务参数

三 Parameter server

简介

前文介绍了ROS中常见的两种通信方式——主题和服务，这节介绍另外一种通信方式——参数服务器（parameter server）。与前两种通信方式不同，参数服务器也可以说是特殊的“通信方式”。特殊点在于参数服务器是节点存储参数的地方、用于配置参数，全局共享参数。参数服务器使用互联网传输，在节点管理器中运行，实现整个通信过程。

参数服务器，作为ROS中另外一种数据传输方式，有别于topic和service，它更加的静态。参数服务器维护着一个数据字典，字典里存储着各种参数和配置。

字典简介

何为字典，其实就是一个个的键值对，我们小时候学习语文的时候，常常都会有一本字典，当遇到不认识的字了我们可以查部首查到这个字，获取这个字的读音、意义等等，而这里的字典可以对比理解记忆。键值kay可以理解为语文里的“部首”这个概念，每一个key都是唯一的，参照下图：

每一个key不重复，且每一个key对应着一个value。也可以说字典就是一种映射关系，在实际的项目应用中，因为字典的这种静态的映射特点，我们往往将一些不常用到的参数和配置放入参数服务器里的字典里，这样对这些数据进行读写都将方便高效。

维护方式

参数服务器的维护方式非常的简单灵活，总的来讲有三种方式：

命令行维护
launch文件内读写
node源码

下面我们来一一介绍这三种维护方式。

命令行维护

使用命令行来维护参数服务器，主要使用rosparam语句来进行操作的各种命令，如下表：

rosparam 命令	作用
`rosparam set param_key param_value`	设置参数
`rosparam get param_key`	显示参数
`rosparam load file_name`	从文件加载参数
`rosparam dump file_name`	保存参数到文件
`rosparam delete`	删除参数
`rosparam list`	列出参数名称

load&&dump文件

load和dump文件需要遵守YAML格式，YAML格式具体示例如下：

name:'Zhangsan'age:20gender:'M'score{Chinese:80,Math:90}score_history:[85,82,88,90]

简明解释。就是“名称+：+值”这样一种常用的解释方式。一般格式如下：

key : value

遵循格式进行定义参数。其实就可以把YAML文件的内容理解为字典，因为它也是键值对的形式。

launch文件内读写

launch文件中有很多标签，而与参数服务器相关的标签只有两个，一个是<param>，另一个是<rosparam>。这两个标签功能比较相近，但<param>一般只设置一个参数，请看下例：

（1）（2）（3）

观察上例比如序号3的param就定义了一个key和一个value，交给了参数服务器维护。而序号1的param只给出了key，没有直接给出value，这里的value是由后没的脚本运行结果作为value进行定义的。序号(2)就是rosparam的典型用法，先指定一个YAML文件，然后施加command,其效果等于rosparam load file_name。

node源码

除了上述最常用的两种读写参数服务器的方法，还有一种就是修改ROS的源码，也就是利用API来对参数服务器进行操作。具体内容我们学习完后面章节再进行介绍。

四 Action

4.4.1简介

Actionlib是ROS中一个很重要的库，类似service通信机制，actionlib也是一种请求响应机制的通信方式，actionlib主要弥补了service通信的一个不足，就是当机器人执行一个长时间的任务时，假如利用service通信方式，那么publisher会很长时间接受不到反馈的reply，致使通信受阻。当service通信不能很好的完成任务时候，actionlib则可以比较适合实现长时间的通信过程，actionlib通信过程可以随时被查看过程进度，也可以终止请求，这样的一个特性，使得它在一些特别的机制中拥有很高的效率。

4.4.2 通信原理

Action的工作原理是client-server模式，也是一个双向的通信模式。通信双方在ROS Action Protocol下通过消息进行数据的交流通信。client和server为用户提供一个简单的API来请求目标（在客户端）或通过函数调用和回调来执行目标（在服务器端）。

工作模式的结构示意图如下：

通信双方在ROS Action Protocal下进行交流通信是通过接口来实现,如下图:

我们可以看到,客户端会向服务器发送目标指令和取消动作指令,而服务器则可以给客户端发送实时的状态信息,结果信息,反馈信息等等,从而完成了service没法做到的部分.

4.4.3 Action 规范

利用动作库进行请求响应，动作的内容格式应包含三个部分，目标、反馈、结果。

目标

机器人执行一个动作，应该有明确的移动目标信息，包括一些参数的设定，方向、角度、速度等等。从而使机器人完成动作任务。

反馈

在动作进行的过程中，应该有实时的状态信息反馈给服务器的实施者，告诉实施者动作完成的状态，可以使实施者作出准确的判断去修正命令。

结果

当运动完成时，动作服务器把本次运动的结果数据发送给客户端，使客户端得到本次动作的全部信息，例如可能包含机器人的运动时长，最终姿势等等。

4.4.4 Action规范文件格式

Action规范文件的后缀名是.action，它的内容格式如下：

# Define the goaluint32 dishwasher_id # Specify which dishwasher we want to use---# Define the resultuint32 total_dishes_cleaned---# Define a feedback messagefloat32 percent_complete

4.4.5 Action实例详解

Actionlib是一个用来实现action的一个功能包集。我们在demo中设置一个场景，执行一个搬运的action，搬运过程中客户端会不断的发回反馈信息，最终完成整个搬运过程．

本小节的演示源码在课程的演示代码包里,此处为链接.

首先写handling.action文件,类比如上的格式.包括三个部分,目标,结果,反馈.如下:

# Define the goaluint32 handling_id---# Define the resultuint32 Handling_completed---# Define a feedback messagefloat32 percent_complete

写完之后修改文件夹里CmakeLists.txt如下内容:

find_package(catkin REQUIRED genmsg actionlib_msgs actionlib)add_action_files(DIRECTORY action FILES DoDishes.action) generate_messages(DEPENDENCIES actionlib_msgs)add_action_files(DIRECTORY action FILES Handling.action)generate_messages( DEPENDENCIES actionlib_msgs)

修改package.xml,添加所需要的依赖如下:

<build_depend>actionlib </build_depend>
<build_depend>actionlib_msgs</build_depend>
<run_depend>actionlib</run_depend>
<run_depend>actionlib_msgs</run_depend>

然后回到工作空间 catkin_ws进行编译.

本例中设置的的action,定义了一个搬运的例子,首先写客户端,实现功能发送action请求,包括进行目标活动,或者目标活动.之后写服务器,实验返回客户端活动当前状态信息,结果信息,和反馈信息.从而实现action.本例测试结果截图如下:

小结

至此，ROS通信架构的四种通信方式就介绍结束，我们可以对比学习这四种通信方式，去思考每一种通信的优缺点和适用条件，在正确的地方用正确的通信方式，这样整个ROS的通信会更加高效，机器人也将更加的灵活和智能。机器人学会了通信，也就相当于有了“灵魂”。

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