【ROS2】Beginner : CLI tools - 理解 ROS 2 话题

目标：使用 rqt_graph 和命令行工具来查看 ROS 2 话题。
难度级别：初学者
预计时间：20 分钟

目录

• 背景
• 前提条件
• 任务
  1. 设置
  2. rqt_graph
  3. ros2 topic list
  4. ros2 topic echo
  5. ros2 topic info
  6. ros2 interface show
  7. ros2 topic pub
  8. ros2 topic hz
  9. ros2 topic bw
  10. ros2 topic find
  11. 清理
• 总结

背景

ROS 2 将复杂系统分解为许多模块化节点。话题是 ROS 图中的重要元素，充当节点交换消息的总线。

一个节点可以发布数据到任意数量的话题，同时也可以订阅任意数量的话题。

话题不仅限于点对点通信；它可以是一对多、多对一或多对多的通信模式。

话题是节点之间（因此也是系统不同部分之间）传递数据的主要方式之一。

前提条件

前一篇教程提供了关于节点的有用背景信息，本教程将在此基础上继续。

和往常一样，不要忘记在每个新打开的终端中执行 ROS 2 的 setup 文件。

任务

1. 设置

现在你应该已经熟悉如何启动 turtlesim 了。

打开一个新终端并运行：

ros2 run turtlesim turtlesim_node

打开另一个终端并运行：

ros2 run turtlesim turtle_teleop_key

回顾上一篇教程，这些节点的默认名称是 /turtlesim 和 /teleop_turtle。

2. rqt_graph

在本教程中，我们将使用 rqt_graph 来可视化不断变化的节点和话题，以及它们之间的连接。

turtlesim 教程已经告诉你如何安装 rqt 及其所有插件，包括 rqt_graph。

要运行 rqt_graph，打开一个新终端并输入命令：

rqt_graph

你也可以通过打开 rqt 并选择 Plugins > Introspection > Node Graph 来打开 rqt_graph。

你应该能看到上述节点和话题，以及图边缘的两个动作（暂时忽略它们）。如果你将鼠标悬停在中心的话题上，会看到如上图所示的高亮效果。

这个图展示了 /turtlesim 节点和 /teleop_turtle 节点如何通过话题进行通信。/teleop_turtle 节点将数据（你输入的移动乌龟的按键）发布到 /turtle1/cmd_vel 话题，而 /turtlesim 节点订阅该话题以接收数据。

rqt_graph 的高亮功能在检查具有许多节点和话题的复杂系统时非常有用。

rqt_graph 是一个图形化的查看工具。现在我们来看看一些用于查看话题的命令行工具。

3. ros2 topic list

在新终端中运行 ros2 topic list 命令，将返回当前系统中所有活跃话题的列表：

ros2 topic list
/parameter_events
/rosout
/turtle1/cmd_vel
/turtle1/color_sensor
/turtle1/pose

ros2 topic list -t 会返回相同的话题列表，但这次会在括号中附加话题类型：

ros2 topic list -t
/parameter_events [rcl_interfaces/msg/ParameterEvent]
/rosout [rcl_interfaces/msg/Log]
/turtle1/cmd_vel [geometry_msgs/msg/Twist]
/turtle1/color_sensor [turtlesim_msgs/msg/Color]
/turtle1/pose [turtlesim_msgs/msg/Pose]

这些属性（尤其是类型）是节点能够理解它们在话题上传递的是相同信息的依据。

如果你想知道这些话题在 rqt_graph 中的位置，可以取消勾选 Hide 下的所有选项。

不过现在，保持这些选项勾选以避免混淆。

4. ros2 topic echo

要查看在话题上发布的数据，使用：

ros2 topic echo <topic_name>

既然我们知道 /teleop_turtle 通过 /turtle1/cmd_vel 话题向 /turtlesim 发布数据，让我们用 echo 来查看这个话题：

ros2 topic echo /turtle1/cmd_vel

起初，这个命令不会返回任何数据，因为它在等待 /teleop_turtle 发布内容。

回到运行 turtle_teleop_key 的终端，使用方向键移动乌龟。同时观察运行 echo 的终端，你会看到每次移动都会发布位置数据：

linear:x: 2.0y: 0.0z: 0.0
angular:x: 0.0y: 0.0z: 0.0
---

现在返回 rqt_graph 并取消勾选 Debug 选项。

/_ros2cli_26646 是我们刚刚运行的 echo 命令创建的节点（数字可能不同）。现在你可以看到发布者正在通过 cmd_vel 话题发布数据，而有两个订阅者订阅了它。

5. ros2 topic info

话题不仅限于一对一通信；它们可以是一对多、多对一或多对多的。

另一种查看方式是运行：

ros2 topic info /turtle1/cmd_vel
Type: geometry_msgs/msg/Twist
Publisher count: 1
Subscription count: 2

6. ros2 interface show

节点通过话题发送数据时使用消息。发布者和订阅者必须发送和接收相同类型的消息才能通信。

我们之前运行 ros2 topic list -t 看到的话题类型告诉我们每个话题使用的消息类型。回想一下，cmd_vel 话题的类型是：

geometry_msgs/msg/Twist

这意味着在 geometry_msgs 包中有一个名为 Twist 的 msg。

现在我们可以运行 ros2 interface show <msg_type> 来查看这个类型的详细信息，特别是消息期望的数据结构：

ros2 interface show geometry_msgs/msg/Twist

返回结果：

# 表示自由空间中的速度，分为线速度和角速度部分
Vector3 linearfloat64 xfloat64 yfloat64 z
Vector3 angularfloat64 xfloat64 yfloat64 z

这告诉你 /turtlesim 节点期望的消息包含两个向量：linear 和 angular，每个向量有三个元素。如果你回想我们用 echo 命令看到的 /teleop_turtle 传递给 /turtlesim 的数据，它具有相同的结构：

linear:x: 2.0y: 0.0z: 0.0
angular:x: 0.0y: 0.0z: 0.0
---

7. ros2 topic pub

现在你知道了消息结构，可以使用以下命令从命令行直接向话题发布数据：

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

<args> 参数是你要传递给话题的数据，按照上一节发现的结构。

使用 pub 命令主要有四种方式，如下所示。不过，c 和 d 中描述的自动补全功能在 Windows 上不受支持。

发布字典字符串：
要向话题发布数据，需要以 YAML 字符串的形式传递数据。

ros2 topic pub /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/msg/Twist "{linear: {x: 2.0, y: 0.0, z: 0.0}, angular: {x: 0.0, y: 0.0, z: 1.8}}"

不过，你不需要指定完整的消息，如果你只想改变线速度或角速度，可以只指定你想要改变的值。

例如，如果你想将线速度改为 2.0，保持角速度为 1.8，可以这样做：

ros2 topic pub /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/msg/Twist "{linear: {x: 2.0}, angular: {z: 1.8}}"

发布空消息：

ros2 topic pub /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/msg/Twist

这将以 1 Hz 的频率发布消息类型的默认值。在这种情况下，等同于以下命令：

ros2 topic pub /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/msg/Twist "{linear: {x: 0.0, y: 0.0, z: 0.0}, angular: {x: 0.0, y: 0.0, z: 0.0}}" --rate 1

使用自动补全：
你可以通过以下方式触发终端的自动补全功能：

ros2 topic pub /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/msg/Twist <TAB>

所有选项都可以在输入选项的前几个字符后按 Tab 键自动补全。但是，话题消息原型只有在输入 \'<TAB> 后才会自动补全。

这是因为终端不将单引号视为自动补全字符串的一部分，因此需要使用 \' 来转义，使其被识别为字符串的一部分。

最终自动补全的字符串看起来像这样：

ros2 topic pub /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/msg/Twist 'linear:x: 0.0y: 0.0z: 0.0
angular:x: 0.0y: 0.0z: 0.0
'

这个字符串是可编辑的，你可以根据需要修改消息类型的值。

使用原始自动补全字符串：
如上所述，geometry_msgs/msg/Twist 的自动补全字符串看起来像这样：

\'linear:\^J\ \ x:\ 0.0\^J\ \ y:\ 0.0\^J\ \ z:\ 0.0\^Jangular:\^J\ \ x:\ 0.0\^J\ \ y:\ 0.0\^J\ \ z:\ 0.0\^J\'

这可以直接用于命令行中代替 YAML 字符串：

ros2 topic pub /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/msg/Twist \'linear:\^J\ \ x:\ 0.0\^J\ \ y:\ 0.0\^J\ \ z:\ 0.0\^Jangular:\^J\ \ x:\ 0.0\^J\ \ y:\ 0.0\^J\ \ z:\ 0.0\^J\'

乌龟（以及它通常模拟的真实机器人）需要稳定的命令流才能持续运行。所以，要让乌龟移动并保持移动，可以使用以下字典字符串：

ros2 topic pub /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/msg/Twist "{linear: {x: 2.0, y: 0.0, z: 0.0}, angular: {x: 0.0, y: 0.0, z: 1.8}}"

有时你可能只想向话题发布一次数据（而不是持续发布）。要只发布一次命令，可以添加 --once 选项：

ros2 topic pub --once -w 2 /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/msg/Twist "{linear: {x: 2.0, y: 0.0, z: 0.0}, angular: {x: 0.0, y: 0.0, z: 1.8}}"

--once 是一个可选参数，表示"发布一条消息后退出"。

-w 2 是一个可选参数，表示"等待两个匹配的订阅者"。这是因为我们既有 turtlesim 又有 topic echo 订阅。

你会在终端看到以下输出：

Waiting for at least 2 matching subscription(s)...
publisher: beginning loop
publishing #1: geometry_msgs.msg.Twist(linear=geometry_msgs.msg.Vector3(x=2.0, y=0.0, z=0.0), angular=geometry_msgs.msg.Vector3(x=0.0, y=0.0, z=1.8))

你会看到乌龟像这样移动：

你可以刷新 rqt_graph 来图形化地查看正在发生的事情。你会看到 ros2 topic pub ... 节点（/_ros2cli_30358）正在通过 /turtle1/cmd_vel 话题发布数据，而 ros2 topic echo ... 节点（/_ros2cli_26646）和 /turtlesim 节点现在都在接收这些数据。

最后，你可以在 pose 话题上运行 echo 并重新检查 rqt_graph：

ros2 topic echo /turtle1/pose

你可以看到 /turtlesim 节点也在向 pose 话题发布数据，而新的 echo 节点已经订阅了该话题。

当发布带有时间戳的消息时，pub 有两种方法可以自动用当前时间填充它们。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 /pose geometry_msgs/msg/PoseStamped '{header: "auto", pose: {position: {x: 1.0, y: 2.0, z: 3.0}}}'

如果消息不使用完整的 header，而只有一个类型为 builtin_interfaces/msg/Time 的字段，可以将其值设置为 now：

ros2 topic pub /reference sensor_msgs/msg/TimeReference '{header: "auto", time_ref: "now", source: "dumy"}'

8. ros2 topic hz

你还可以使用以下命令查看数据发布的频率：

ros2 topic hz /turtle1/pose
average rate: 59.354min: 0.005s max: 0.027s std dev: 0.00284s window: 58

它会返回 /turtlesim 节点向 pose 话题发布数据的频率。

回想一下，你使用 ros2 topic pub --rate 1 将 turtle1/cmd_vel 的发布频率设置为稳定的 1 Hz。如果你用 turtle1/cmd_vel 代替 turtle1/pose 运行上述命令，你会看到反映该频率的平均值。

注意：这个频率反映了 ros2 topic hz 命令创建的订阅的接收频率，可能会受到平台资源和 QoS 配置的影响，可能与发布者的频率不完全匹配。

9. ros2 topic bw

可以使用以下命令查看话题使用的带宽：

ros2 topic bw /turtle1/pose
Subscribed to [/turtle1/pose]
1.51 KB/s from 62 messagesMessage size mean: 0.02 KB min: 0.02 KB max: 0.02 KB

它返回 /turtle1/pose 话题的带宽利用率和消息数量。

注意：这个带宽反映了 ros2 topic bw 命令创建的订阅的接收带宽，可能会受到平台资源和 QoS 配置的影响，可能与发布者的带宽不完全匹配。

10. ros2 topic find

要列出给定类型的所有可用话题，使用：

ros2 topic find <topic_type>

回想一下，cmd_vel 话题的类型是：

geometry_msgs/msg/Twist

使用 find 命令，输入消息类型会输出可用的话题：

ros2 topic find geometry_msgs/msg/Twist
/turtle1/cmd_vel

11. 清理

此时你可能运行了很多节点。别忘了在每个终端中按 Ctrl+C 来停止它们。

总结

节点通过话题发布信息，这使得任意数量的其他节点都可以订阅并访问这些信息。在本教程中，你使用 rqt_graph 和命令行工具检查了多个节点之间通过话题的连接。现在你应该对 ROS 2 系统中数据的流动方式有了很好的理解。

下一步

接下来，你将通过《理解服务》教程学习 ROS 图中的另一种通信类型。