理解 ROS 2 的 node 和 topic

1. 理解 node

node 是 ROS 2 实现模块化的基本组件。ROS 中的每个 node 都应负责单一的模块化功能，例如控制车轮电机或发布来自激光测距仪的传感器数据。每个 node 都可以通过 topic、服务、动作或参数与其他 node 发送和接收数据。

一个完整的机器人系统由许多协同工作的 node 组成。在 ROS 2 中，一个可执行文件（C++ 程序、Python 程序等）可以包含一个或多个 node。

ROS 2 node 交互

上图展示了两个 ROS 2 node 是如何交互的。

1.1 ROS 2 启动命令

使用以下命令启动 node：

ros2 run <package_name> <executable_name>

例如：

ros2 run demo_nodes_cpp talker

其中 demo_nodes_cpp 是包名字，talker 是可执行文件名。

1.2 查看 node 列表

node 名称可以使用以下命令查找：

ros2 node list

ROS 2 node 列表

可以看到 /talker 已经显示出来了。

1.3 node 名称重映射（Remapping）

通过 --remap 参数可以重映射 node 名称：

ros2 run turtlesim turtlesim_node --ros-args --remap __node:=my_turtle

上述命令中 --remap __node:=my_turtle 将 node 名称定义为 my_turtle，通过 ros2 node list 应该也可以看到这个新建的实例 /my_turtle。

1.4 查看 node 信息

使用以下命令查看 node 的详细信息：

ros2 node info <node_name>

例如：

ros2 node info /talker

注意要加斜杠。

ROS 2 node 信息

2. 理解 topic

在上个章节的图片中，我们已经可以看到，publisher node 通过 topic 将信息发送给 subscriber 的过程，只要一个 node 订阅了 topic，就可以收到对应的消息。

ROS 2 将复杂的系统分解为许多模块化 node。topic 是 ROS 图的重要元素，充当 node 交换消息的总线。

单发布者单订阅者

一个 node 可以将数据发布到任意数量的 topic，并同时订阅任意数量的 topic。

多发布者多订阅者

topic 是在 node 之间以及系统不同部分之间移动数据的主要方式之一。

2.1 使用 rqt_graph 检查通信状态

通过 rqt_graph 可以可视化检查当前 ROS 2 系统的通信状态：

打开第一个终端，启动 talker node：

ros2 run demo_nodes_cpp talker

打开第二个终端，启动 listener node：

ros2 run demo_nodes_cpp listener

使用以下命令打开 rqt_graph：

ros2 run rqt_graph rqt_graph

可以看到 talker 和 listener 通过 /chatter 这个 topic 建立通信。node 正在向 topic 发布数据，并且该 node 订阅了该 topic 以接收数据。

rqt_graph 的突出显示功能在检查具有许多 node 和 topic 以多种不同方式连接的更复杂的系统时非常有用。

rqt_graph 可视化

2.2 查看 topic 列表

在新终端中运行以下命令将返回系统中当前活动的所有 topic 的列表：

ros2 topic list

重要：使用 -t 参数可以在括号中附加 topic 类型：

ros2 topic list -t

输出示例：

/chatter [std_msgs/msg/String]
/parameter_events [rcl_interfaces/msg/ParameterEvent]
/rosout [rcl_interfaces/msg/Log]

topic 类型是本文档的重要内容，后续对 topic 的命令行应用都基于类型进行。

2.3 查看 topic 信息

topic 不必只是一对一的交流；它们可以是一对多、多对一或多对多。通过以下命令来查看当前订阅数量：

ros2 topic info /chatter

返回示例：

Type: std_msgs/msg/String
Publisher count: 1
Subscription count: 1

2.4 查看 topic 数据

使用以下命令查看正在发布的 topic 数据：

ros2 topic echo <topic_name>

例如：

ros2 topic echo /chatter

注意 topic 名称前要加斜杠。

ROS 2 topic echo

现在返回 rqt_graph 并取消选中 “debug” 框，可以见到新增的订阅 /_ros2cli_100752，也就是刚才我们通过命令行命令 echo 创建的 node。

rqt_graph 取消 debug

2.5 查看接口/数据结构

在前面运行过了 ros2 topic list -t 后，得知了 /chatter 的接口为 [std_msgs/msg/String]。

运行以下命令查看接口定义：

ros2 interface show std_msgs/msg/String

# This was originally provided as an example message.
# It is deprecated as of Foxy
# It is recommended to create your own semantically meaningful message.
# However if you would like to continue using this please use the equivalent in example_msgs.

string data

可以得知为字符串数据结构，字段为 data。

2.6 发布 topic 消息

得知消息结构后，通过以下命令可以直接从终端发送命令数据到 topic 中：

ros2 topic pub <topic_name> <msg_type> '<args>'

<args> 是要传递给 topic 的实际数据，采用正确的数据结构。如上 interface 为 string data 时，data 就是构建 YAML 字符串的 key。

如下几种方式都可以发布：

构建 YAML 字符串发布：

ros2 topic pub /chatter std_msgs/msg/String "{data: 'Hello from manual pub.'}"

可以看到 subscriber node 同时收到了两个 node 的信息。

手动发布信息

rqt_graph 手动发布

发布空数据：

ros2 topic pub /chatter std_msgs/msg/String

因为很少会使用到手动 pub 消息，其他两种自动构建数据结构并发布的方式暂时不考虑。

消息的时间戳

当发布带时间戳的消息时，pub 有两种方法可以自动填充当前时间。对于带有 std_msgs/msg/Header 的消息，可以将 header 字段设置为 auto 来填充 stamp 字段。

ros2 topic pub /chatter std_msgs/msg/String "{header: \"auto\", data: 'Hello from manual pub.'}"

此时会报错，因为 std_msgs/msg/String 类型没有 header 字段。

2.7 查询 topic 发布频率

使用以下命令来得知对应 topic 的发布频率：

ros2 topic hz <topic>

例如：

ros2 topic hz /chatter

在检测后会返回：

average rate: 1.000 
min: 1.000s max: 1.000s std dev: 0.00021s window: 3

2.8 查询 topic 带宽

使用以下命令查询 topic 的带宽使用情况：

ros2 topic bw <topic>

例如：

ros2 topic bw /chatter