2023 iThome 鐵人賽

DAY 3

自我挑戰組

ROS2 及 ROS Porting 自學筆記系列第 9 篇

Day9 ROS2 Publisher & Subscriber - Python

15th鐵人賽 ros2 ros2 porting ros publishers and subscribers

leochien1110

2023-09-21 11:17:46

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終於來到實作的部分了，今天要來實作一個簡單的 Publisher，並且將它發布到 ROS 環境中。發現我的文章都有點太過細節，這點要加油，不然會勸退好多人的感覺。

Publisher

由於官方就有提供Publisher和Subscriber的範例，就不用從頭撰寫了。詳細流程也可次參考官方教學。

這邊先建立一個Package

cd ~/ros2_ws/src
ros2 pkg create --build-type ament_python py_pubsub

再來，把Node下載到對應的地方

cd ros2_ws/src/py_pubsub/py_pubsub
wget https://raw.githubusercontent.com/ros2/examples/foxy/rclpy/topics/minimal_publisher/examples_rclpy_minimal_publisher/publisher_member_function.py

接著打開publisher_member_function.py就可以看到完整的程式碼

import rclpy
 from rclpy.node import Node

 from std_msgs.msg import String


 class MinimalPublisher(Node):

     def __init__(self):
         super().__init__('minimal_publisher')
         self.publisher_ = self.create_publisher(String, 'topic', 10)
         timer_period = 0.5  # seconds
         self.timer = self.create_timer(timer_period, self.timer_callback)
         self.i = 0

     def timer_callback(self):
         msg = String()
         msg.data = 'Hello World: %d' % self.i
         self.publisher_.publish(msg)
         self.get_logger().info('Publishing: "%s"' % msg.data)
         self.i += 1


 def main(args=None):
     rclpy.init(args=args)

     minimal_publisher = MinimalPublisher()

     rclpy.spin(minimal_publisher)

     # Destroy the node explicitly
     # (optional - otherwise it will be done automatically
     # when the garbage collector destroys the node object)
     minimal_publisher.destroy_node()
     rclpy.shutdown()


 if __name__ == '__main__':
     main()

解析

import rclpy
from rclpy.node import Node

from std_msgs.msg import String

這邊引入了rclpy和Node，rclpy是ROS2的Python API，Node是rclpy中的一個class，用來建立Node。再來引入了std_msgs中的String，這是一個常用的String Message，用來傳送字串。

class MinimalPublisher(Node):

    def __init__(self):
        super().__init__('minimal_publisher')
        self.publisher_ = self.create_publisher(String, 'topic', 10)
        timer_period = 0.5  # seconds
        self.timer = self.create_timer(timer_period, self.timer_callback)
        self.i = 0

再來是將Publisher建立成一個Node的class。首先用super來初始化繼承的Node，並且給予Node一個名稱minimal_publisher。接著用self.create_publisher來建立一個Publisher。create_publisher的參數有三個，第一個是Message的型別(String)，第二個是Topic的名稱('topic')，第三個是QoS(queue depth=10)，如果是設定queue depth的話可以直接塞int的數字，其他QoS選項的話則要使用QoS的物件，後面會再介紹。

接著是建立一個Timer，這邊的Timer是用來定時發布訊息的，第一個參數是時間間隔，這邊是0.5秒發布一次訊息(2Hz)。第二個參數是Timer的callback function，每次Timer觸發時，就會執行。最後是一個計數器self.i，用來計算發布了幾次訊息。

def timer_callback(self):
    msg = String()
    msg.data = 'Hello World: %d' % self.i
    self.publisher_.publish(msg)
    self.get_logger().info('Publishing: "%s"' % msg.data)
    self.i += 1

這邊是Timer的callback function，每次Timer觸發時，就會執行這個function。首先建立一個String的Message，並且將self.i的值放入Message中。

String Message的格式為：

string data

接著用self.publisher_.publish(msg)來發布訊息，self.publisher_就是上面建立的Publisher。最後用self.get_logger().info('Publishing: "%s"' % msg.data)來印出訊息。

self.get_logger()是用來取得Node的Logger，info是用來印出訊息的function。這邊還有其他不同level的logger，像是debug、warn、error、fatal等等，可以依照需求使用。

Logger補充：可使用self.get_logger().set_level(rclpy.logging.LoggingSeverity.DEBUG)來設定logger的level，預設是INFO。亦或是在執行ros2 run時加上--ros-args --log-level DEBUG來設定。

self.get_logger().info('Show logger anyway')
self.get_logger().debug('Show logger only when debug')
self.get_logger().warn('Show logger only when warn')
self.get_logger().error('Show logger only when error')
self.get_logger().fatal('Show logger only when fatal')

回到程式碼：

def main(args=None):
    rclpy.init(args=args)

    minimal_publisher = MinimalPublisher()

    rclpy.spin(minimal_publisher)

    # Destroy the node explicitly
    # (optional - otherwise it will be done automatically
    # when the garbage collector destroys the node object)
    minimal_publisher.destroy_node()
    rclpy.shutdown()

最後就是main function，這邊先用rclpy.init(args=args)來初始化rclpy，接著建立一個MinimalPublisher的物件，並且用rclpy.spin(minimal_publisher)來讓Node執行，直到Node被關閉。最後用minimal_publisher.destroy_node()來關閉Node，如不關閉Node，程式結束時依然會自動關閉Node。最後用rclpy.shutdown()來關閉rclpy。

Package設定

在Build之前不要忘了要更新package.xml, setup.py和setup.cfg。首先將dependency加入package.xml，這邊需要rclpy和std_msgs

<exec_depend>rclpy</exec_depend>
<exec_depend>std_msgs</exec_depend>

接著是setup.py，這邊要加入entry_points，這是用來讓ROS2知道Node在哪裡

entry_points={
        'console_scripts': [
                'talker = py_pubsub.publisher_member_function:main',
        ],
},

最後檢查一下setup.cfg，確認可執行檔是否在lib/py_pubsub中，以便ros2 run可以找到

[develop]
script-dir=$base/lib/py_pubsub
[install]
install-scripts=$base/lib/py_pubsub

Subscriber

下載Subscriber的範例

cd ~/ros2_ws/src/py_pubsub/py_pubsub
wget https://raw.githubusercontent.com/ros2/examples/foxy/rclpy/topics/minimal_subscriber/examples_rclpy_minimal_subscriber/subscriber_member_function.py

接著打開subscriber_member_function.py就可以看到完整的程式碼

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  # prevent unused variable warning

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


def main(args=None):
    rclpy.init(args=args)

    minimal_subscriber = MinimalSubscriber()

    rclpy.spin(minimal_subscriber)

    # Destroy the node explicitly
    # (optional - otherwise it will be done automatically
    # when the garbage collector destroys the node object)
    minimal_subscriber.destroy_node()
    rclpy.shutdown()


if __name__ == '__main__':
    main()

解析

def MinimalSubscriber(Node):

    def __init__(self):
        super().__init__('minimal_subscriber')
        self.subscription = self.create_subscription(
            String,
            'topic',
            self.listener_callback,
            10)
        self.subscription  # prevent unused variable warning

這邊是Subscriber的class，首先用super來初始化繼承的Node，並且給予Node一個名稱minimal_subscriber。接著用self.create_subscription來建立一個Subscriber。create_subscription的參數有四個，第一個是Message的型別(String)，第二個是Topic的名稱('topic')，第三個是callback function，第四個是QoS(queue depth=10)。

最後先呼叫一次self.subscription，這是為了避免沒有宣告使用subscription而產生unused variable warning。

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

這邊是callback function，當subscriber一收到訊息時，就會執行這個function，並且印出Publisher發布的訊息(訊息時間和個數)。

def main(args=None):
    rclpy.init(args=args)

    minimal_subscriber = MinimalSubscriber()

    rclpy.spin(minimal_subscriber)

    # Destroy the node explicitly
    # (optional - otherwise it will be done automatically
    # when the garbage collector destroys the node object)
    minimal_subscriber.destroy_node()
    rclpy.shutdown()

最後就是subscriber的main function，和publisher完全一樣，就不再贅述。

Package設定

因為是在同一個package中，dependencies也和publisher一樣，就不需要調整。唯一要調整的是setup.py，這邊要加入entry_points，這是用來讓ROS2知道Node在哪裡

entry_points={
        'console_scripts': [
                'talker = py_pubsub.publisher_member_function:main',
                'listener = py_pubsub.subscriber_member_function:main',
        ],
},

Build and Run

Build

養成好習慣，在workspace時可以先跑rosdep來檢查一下dependency是否有安裝

cd ~/ros2_ws
rosdep install -i --from-path src --rosdistro foxy -y

接著build package

colcon build --packages-select py_pubsub

最後不要忘了source setup讓ROS2知道package的位置

source ~/ros2_ws/install/setup.bash

Run

接著就可以執行Node了，首先在一個terminal執行

ros2 run py_pubsub talker

就可以看到publisher開始發布訊息了，應該會類似下面這樣，分別是[Log Level]、[時間]、[Node名稱]：[訊息]

[INFO] [1600000000.000000000] [minimal_publisher]: Publishing: "Hello World: 0"
[INFO] [1600000000.500000000] [minimal_publisher]: Publishing: "Hello World: 1"
[INFO] [1600000001.000000000] [minimal_publisher]: Publishing: "Hello World: 2"
...

接著在另一個terminal執行

ros2 run py_pubsub listener

就可以看到subscriber開始接收訊息了。應該可以看到類似下面的訊息

[INFO] [1600000000.000000000] [minimal_subscriber]: I heard: "Hello World: 0"
[INFO] [1600000000.500000000] [minimal_subscriber]: I heard: "Hello World: 1"
[INFO] [1600000001.000000000] [minimal_subscriber]: I heard: "Hello World: 2"
...

不過因為Subscriber是後開，只會收到開始跑之後的訊息，除非要去設定QoS。另外也可以先跑Subscriber，再跑Publisher，這樣就可以收到所有的訊息。

另外Publisher的部分也可以用指令來執行，會等Service介紹完後，一起介紹。

QoS

當然也可以自行設定QoS，或是更改QoS Profile成Reliable，depth為10。

Publisher

from rclpy.qos import QoSProfile
from rclpy.qos import QoSReliabilityPolicy
from rclpy.qos import QoSDurabilityPolicy

class MinimalPublisher(Node):

    def __init__(self):
        super().__init__('minimal_publisher')
        qos_profile = QoSProfile(
            depth=10,
            reliability=QoSReliabilityPolicy.RMW_QOS_POLICY_RELIABILITY_RELIABLE,
            durability=QoSDurabilityPolicy.RMW_QOS_POLICY_DURABILITY_TRANSIENT_LOCAL,
        )
        self.publisher_ = self.create_publisher(String, 'topic', qos_profile)

Subscriber

from rclpy.qos import QoSProfile
from rclpy.qos import QoSReliabilityPolicy
from rclpy.qos import QoSDurabilityPolicy

class MinimalSubscriber(Node):

    def __init__(self):
        super().__init__('minimal_subscriber')
        qos_profile = QoSProfile(
            depth=10,
            reliability=QoSReliabilityPolicy.RMW_QOS_POLICY_RELIABILITY_RELIABLE,
            durability=QoSDurabilityPolicy.RMW_QOS_POLICY_DURABILITY_TRANSIENT_LOCAL,
        )
        self.subscription = self.create_subscription(
            String,
            'topic',
            self.listener_callback,
            qos_profile)

其中Publisher和Subscriber的reliability的相容性必需要符合規定，否則將收不到訊息，可以參考昨天的Day8 ROS2 Topic
中QoS相容性表格。