ROS2学习之通信概述

ROS2里面的通信方式分为四种：话题通信，服务通信，动作通信以及参数服务。其中动作通信和参数服务是基于话题通信和服务通信的。

1. 话题通信（Topic Communication）

特点：

• 单向数据传输：发布方发布数据，订阅方订阅数据。
• 多对多模型：一个发布者可以同时有多个订阅者，或者一个订阅者可以从多个发布者接收数据。
• 典型用例：适用于信息更新频繁、实时性要求较高的场景，如传感器数据传输。

例子：机器人传感器数据传输

场景：一个移动机器人需要实时获取其环境信息（例如激光雷达扫描数据），以进行地图构建或避障。

• 发布者：激光雷达节点将扫描数据发布到某个话题 laser_scan。
• 订阅者：导航模块订阅 laser_scan，用于对数据进行实时处理并进行路径规划。

流程图：

激光雷达节点（发布者）
    ↓
   话题：/laser_scan
    ↓
导航模块（订阅者）

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2. 服务通信（Service Communication）

特点：

• 请求-响应模式：客户端发送请求数据，服务端响应结果。
• 阻塞式通信：客户端在请求响应完成之前无法继续执行其他任务。
• 典型用例：适用于短时间完成的任务或简单的请求，例如查询系统状态、执行简单指令的操作。

例子：机器人机械臂的抓取

场景：机械臂需要移动到特定位置抓取物体，当用户发送抓取请求时，抓取操作立即执行并返回是否成功。

• 客户端：用户界面会发送一个抓取目标位置的请求。
• 服务端：抓取模块执行抓取操作，并返回抓取是否成功的结果，例如 { success: true, message: "Object grabbed successfully." }。

流程图：

用户界面（客户端）
    → 请求：目标位置
        ↓
    服务端：抓取模块
        ↑
  响应：抓取成功/失败

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3. 动作通信（Action Communication）

特点：

• 异步通信：任务执行过程支持定期反馈，同时返回最终执行结果。
• 连续反馈：客户端能够实时获知执行进度，支持中断任务。
• 典型用例：适用于耗时任务的执行，例如机器人导航到目标点、机械臂搬运任务等。

例子：机器人导航

关于 action 通信，以导航场景为例子：机器人导航到某个目标点,此过程需要一个节点 A 发布目标信息，然后一个节点 B 接收到请求并控制移动，最终响应目标达成状态信息。这看起来好像是服务通信实现，因为需求中要 A 发送目标，B 执行并返回结果，这是一个典型的基于请求响应的应答模式，不过，如果只是使用基本的服务通信实现，存在一个问题：导航是一个过程，是耗时操作，如果使用服务通信，那么只有在导航结束时，才会产生响应结果，而在导航过程中，节点 A 是不会获取到任何反馈的，从而可能出现程序”假死”的现象，（程序假死 是指程序在运行过程中看似卡住、不响应用户输入或无法继续执行，但实际上程序并未真正崩溃或停止，而是因为某些原因导致其进入了一种“停滞”状态。这种状态下，程序可能仍在后台运行未完成的任务，或者等待某些条件满足以继续执行，但对外部表现为“无响应”。） 过程的不可控意味着不良的用户体验，以及逻辑处理的缺陷(比如:导航中止的需求无法实现)。更合理的方案应该是:导航过程中，可以连续反馈当前机器人状态信息，当导航终止时，再返回最终的执行结果。

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4. 参数服务（Parameter Server）

特点：

• 共享通信模型：服务端维护共享参数数据，客户端可以查询和修改这些参数。
• 中心化管理：所有的参数信息可以集中存储和管理，便于节点之间的动态数据共享。
• 典型用例：适用于频繁需要调整的全局配置参数或机器人状态信息，例如控制器的增益、传感器的标定值等。

例子：机器人导航中更新运行速度

场景：用户调整机器人导航中的运行速度，并动态修改导航参数，让机器人行驶更快或更慢。

• 参数服务存储：存储当前导航的线性速度和角速度，以便所有相关模块能访问。
• 客户端操作：用户可以访问这些参数（查询或修改），导航模块会读取新的速度参数并更新运动控制。（有点类似于写后端的时候的get、set方法）

参数服务中的数据示例：

# ROS Parameter Server 示例数据
/navigation/max_linear_velocity: 1.0  # 最大线速度 (m/s)
/navigation/max_angular_velocity: 0.5  # 最大角速度 (rad/s)

操作流程：

1. 用户通过客户端修改导航速度：

   $ rosparam set /navigation/max_linear_velocity 1.5  # 动态调整速度为 1.5m/s

2. 导航模块会实时读取参数 /navigation/max_linear_velocity 并更新速度：

   # 导航模块读取速度参数
   max_linear_velocity = rospy.get_param('/navigation/max_linear_velocity', 1.0)
   control_robot_speed(max_linear_velocity)

流程图：

用户界面（速度控制参数修改）
    ↕ 参数读写操作
参数服务器：/navigation/max_linear_velocity
    ↓
导航模块：动态读取参数，更新控制逻辑

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总结

通信方式	特点	示例场景
话题通信	单向多对多，实时传输信息	激光雷达数据传输
服务通信	请求-响应模式，适合短时任务	请求机械臂抓取物体
动作通信	带有反馈的请求-响应模式，适合耗时任务	导航到目标点
参数服务	中心化的参数共享与管理，适用于动态参数调整	动态调整机器人速度