ROS2 Topic 介绍及应用¶

概述¶

ROS2（Robot Operating System 2）的 Topic 是节点（Node）之间进行异步通信的核心机制。通过 Topic，节点可以发布（Publish）或订阅（Subscribe）特定类型的消息（Message），实现一对多、多对一或多对多的通信模式。与 ROS1 相比，ROS2 的 Topic 机制基于 DDS（Data Distribution Service） 中间件，支持更灵活的实时性和服务质量（QoS）策略。

核心概念¶

1. 核心组件¶

Publisher（发布者）：向 Topic 发布消息的节点。
Subscriber（订阅者）：从 Topic 订阅并接收消息的节点。
Topic（主题）：由名称和消息类型定义的逻辑通道，用于标识消息的传输路径。
QoS Policy（服务质量策略）：控制数据传输的可靠性、持久性、历史深度等行为（如 RELIABLE、BEST_EFFORT、HISTORY_KEEP_LAST）。

2. 通信模型¶

ROS2 的 Topic 采用 发布/订阅（Publish-Subscribe）模型： - 异步通信：发布者与订阅者无需直接关联，发布消息后不等待确认。 - 多对多支持：一个 Topic 可以有多个发布者和订阅者。 - DDS 中间件：通过 RTPS（Real-Time Publish-Subscribe）协议实现跨供应商的互操作性。

Topic 通信机制¶

1. 核心流程¶

发布者：创建 Publisher 对象，绑定 Topic 名称和消息类型，并配置 QoS 策略。
订阅者：创建 Subscriber 对象，订阅同一 Topic 名称和消息类型，并定义回调函数处理消息。
DDS 中间件：自动匹配发布者和订阅者，通过 RTPS 协议传输数据。

2. 关键特性¶

无耦合性：发布者和订阅者无需知道彼此的存在，仅需通过 Topic 名称和消息类型通信。
实时性：通过 QoS 策略（如 Deadline、Liveliness）保障实时性要求。
灵活性：支持自定义消息类型（如定义 .msg 文件）。

代码示例¶

1. 创建 Publisher 节点（C++）¶

C++
#include <chrono>
#include <memory>
#include "rclcpp/rclcpp.hpp"
#include "std_msgs/msg/string.hpp"

class MinimalPublisher : public rclcpp::Node {
 public:
  MinimalPublisher() : Node("minimal_publisher"), count_(0) {
    publisher_ = this->create_publisher<std_msgs::msg::String>("topic", 10);
    timer_ = this->create_wall_timer(
        500ms, std::bind(&MinimalPublisher::timer_callback, this));
  }

 private:
  void timer_callback() {
    auto message = std_msgs::msg::String();
    message.data = "Hello, world! " + std::to_string(count_++);
    RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "Publishing: '%s'", message.data.c_str());
    publisher_->publish(message);
  }

  rclcpp::TimerBase::SharedPtr timer_;
  rclcpp::Publisher<std_msgs::msg::String>::SharedPtr publisher_;
  size_t count_;
};

int main(int argc, char *argv[]) {
  rclcpp::init(argc, argv);
  rclcpp::spin(std::make_shared<MinimalPublisher>());
  rclcpp::shutdown();
  return 0;
}

2. 创建 Subscriber 节点（Python）¶

Python
import rclpy
from rclpy.node import Node
from std_msgs.msg import String

class MinimalSubscriber(Node):
    def __init__(self):
        super().__init__('minimal_subscriber')
        self.subscription = self.create_subscription(
            String,
            'topic',
            self.listener_callback,
            10)
        self.subscription  # 避免被静态分析工具警告

    def listener_callback(self, msg):
        self.get_logger().info('Received: "%s"' % msg.data)

def main(args=None):
    rclpy.init(args=args)
    minimal_subscriber = MinimalSubscriber()
    rclpy.spin(minimal_subscriber)
    minimal_subscriber.destroy_node()
    rclpy.shutdown()

if __name__ == '__main__':
    main()

常用命令¶

ROS2 提供了一系列命令行工具用于调试和监控 Topic：

1. 查看 Topic 列表¶

Bash
ros2 topic list  # 列出所有 Topic
ros2 topic list -t  # 显示 Topic 及其消息类型

2. 查看 Topic 详细信息¶

Bash
ros2 topic info /topic_name  # 显示 Topic 的发布者、订阅者及 QoS 策略
ros2 topic info -v /topic_name  # 显示详细信息（包括 DDS 实现细节）

3. 发布与接收消息¶

Bash
ros2 topic pub /topic_name std_msgs/msg/String "data: 'Hello ROS2'"  # 手动发布消息
ros2 topic echo /topic_name  # 实时显示 Topic 的消息内容

4. 监控 Topic 性能¶

Bash
ros2 topic hz /topic_name  # 显示 Topic 的发布频率（Hz）
ros2 topic bw /topic_name  # 显示 Topic 的带宽（Byte/s）

应用场景¶

传感器数据传输：如相机、激光雷达的实时数据通过 Topic 分发。
控制指令传递：发送机器人运动指令（如 Twist 消息控制小车）。
状态监控：发布机器人状态（如电池电量、关节角度）供其他节点订阅。
分布式系统协调：多个节点通过 Topic 协同完成复杂任务（如多机协作）。

ROS2 与 ROS1 的区别¶

特性	ROS1	ROS2
通信机制	基于 ROS Master 的中心化架构	基于 DDS 的去中心化架构
实时性	依赖第三方 RTOS 改进	内置 QoS 策略支持硬实时场景
Topic 支持	同步/异步通信混合	纯异步通信，QoS 策略灵活配置
跨平台性	主要支持 Linux	支持 Linux、Windows、macOS

总结¶

ROS2 的 Topic 机制通过 DDS 中间件提供了高效、灵活的异步通信能力，适用于机器人系统的传感器数据传输、控制指令分发等场景。结合 QoS 策略和丰富的命令工具，开发者可以快速构建高可靠性和实时性的机器人应用。