ROS到ROS2的多节点组合运行

Posted 2023-02-05

0. 简介

ros1中我们会经常使用Nodelets来完成多个Node节点的管理。但是在ROS2中如何使用多节点组合去完成管理，这也是我们需要去了解和学习的。

1 . ROS 1 - Node 和 Nodelets

在ROS1中你可以写一个节点也可以写一个小节点(Nodelet)。 ROS 1 的节点会被编译成一个可执行文件。 ROS 1的小节点会被编译成一个动态链接库。当程序运行的时候会被动态的加载到容器进程里面。Nodelet包就是为改善这一状况设计的，它提供一种方法，可以让多个算法程序在一个进程中用 shared_ptr 实现零拷贝通信（zero copy transport），以降低因为传输大数据而损耗的时间。简单讲就是可以将多个node捆绑在一起管理，使得同一个manager里面的topic的数据传输更快。

1.1 pkg组织框架：

• nodelet头文件（include/）
• nodelet源文件（src/）
• nodelet_plugins.xml
• package.xml
• CMakeLists.txt
• launch文件

1.2 需要的操作步骤：

• 在.cpp和.h中添加相应的头文件；
• 去掉main函数；
• .h中声明子类，.cpp中定义子类；
• .cpp中将原node中类构造函数代码移动到onInit()中，用于初始化；
• .cpp中添加PLUGINLIB_EXPORT_CLASS宏，讲子类声明为插件类，并编译为动态库；
• package中添加<build_depend> <run_depend>依赖，添加export；
• 编写plugin.xml使nodelet称为一个插件；
• CMakeLists做相应修改：添加nodelet依赖；没有main因此无executable，而是lib。

1.3 NodeLets子类

MyNodeletClass.h

#include <nodelet/nodelet.h>

namespace example_pkg

    class MyNodeletClass : public nodelet::Nodelet
    
        public:
            virtual void onInit();
    ;

注意：在nodelet::Nodelet基类当中，onInit()被声明为纯虚函数，因此在子类中必须对其进行重写（override）。所有的初始化工作都应该在这个函数中完成。

MyNodeletClass.cpp

#include <pluginlib/class_list_macros.h>

// watch the capitalization carefully
PLUGINLIB_EXPORT_CLASS(example_pkg::MyNodeletClass, nodelet::Nodelet)

namespace example_pkg

    void MyNodeletClass::onInit()
    
        NODELET_DEBUG("Initializing nodelet...");
    

注意：为了允许类被动态加载，它必须被标记为导出类。这通过特殊宏PLUGINLIB_EXPORT_CLASS / PLUGINLIB_DECLARE_CLASS来完成，通常放在导出类的.cpp文件的末尾。宏的参数分类为：pkg，class_name，class_type ，base_class_type。

1.4 nodelet_plugins.xml

该文件应与package.xml放置在同一路径下。插件描述文件是一个XML文件，用于存储有关插件的所有重要信息。它包含有关插件所在的库的信息，插件的名称，插件的类型等。

<library path="lib/libMyNodeletClass">
  <class name="example_pkg/MyNodeletClass" type="example_pkg::MyNodeletClass" base_class_type="nodelet::Nodelet">
  <description>
  This is my nodelet.
  </description>
  </class>
</library>

1.5 package.xml

package.xml文件中，为了让pluginlib查询ROS系统上的所有可用插件，每个包必须显式指定它导出的插件。应添加如下：

...
<build_depend>nodelet</build_depend>
<run_depend>nodelet</run_depend>
<export>
  <nodelet plugin="$prefix/nodelet_plugins.xml" />
</export>
...

1.6 mynodelet.launch

launch file中做了两件事情：启动一个nodelet manager，加载nodelet到manager中。

<launch>
  <node pkg="nodelet" type="nodelet" name="standalone_nodelet"  args="manager" output="screen"/>

  <node pkg="nodelet" type="nodelet" name="MyNodeletClass" 
        args="load example_pkg/MyNodeletClass standalone_nodelet" output="screen">
  </node>
</launch>

2. ROS 2 - 统一API

在ROS2里面，推荐编写小节点——我们称之为组件​​Component​​。 这样我们就更容易为已经存在的代码添加一些通用的概念，比如生命周期. 使用不同的API所带来的麻烦完全被ROS2给避免了。节点进和小节点在ROS2中完全使用相同的API。

你也可以继续使用节点的风格的主函数，但是一般是并不推荐的

通过把进程的结构变成一个部署是的选项，用户可以自由的在下面的模式进行选择

• 在不同的进程中运行多个节点。这样可以使不同的进程独立开。一个崩溃其他可以正常运行。也更方便调试各个节点。
• 在同一个进程中运行多个节点。这样可以使得通信更加高效。

在未来的roslaunch版本中，会支持配置进程的结构，​​官网说明​​。

这些demos使用​​rclcpp_components, ros2component​​​和​​composition​​包里面可执行文件，并且可以使用以下指令运行。

第一个终端，运行组件容器：

ros2 run rclcpp_components component_container

使用​​ros2​​命令行确认正在运行中的容器

$ ros2 component list
/ComponentManager

在第二个终端（查看talker源码（​​https://github.com/ros2/demos/blob/foxy/composition/src/talker_component.cpp​​））．这个指令会返回已启动的模块id,其跟节点名字一样独一无二。

$ ros2 component load /ComponentManager composition composition::Talker
Loaded component 1 into /ComponentManager container node as /talker

第二个终端的另一条指令（查看listener代码（​​https://github.com/ros2/demos/blob/foxy/composition/src/listener_component.cpp​​））：

$ ros2 component load /ComponentManager composition composition::Listener
Loaded component 2 into /ComponentManager container node as /listener

ros2命令行实用程序现在是可以用来检查容器的状态：

$ ros2 component list
/ComponentManager
   1  /talker
   2  /listener

使用launch操作组合，命令行工具用来调试和诊断组件配置，它通常是在同一时间启动一组组件（的方式）更方便。为了使得该操作自动化（完成），我们可以使用ros2 launch功能指令。

ros2 launch composition composition_demo.launch.py

最后可以使用专属的ID来卸载组件容器的节点。

$ ros2 component unload /ComponentManager 1 2
Unloaded component 1 from /ComponentManager container
Unloaded component 2 from /ComponentManager container

下面我们来看一下函数结构

2.1 CMakeList.txt

为了使component_container能够找到所需的组件，必须在索引中注册该组件​​rclcpp_components_register_nodes​​，以便工具可以发现它：

add_library(talker_component SHARED
  src/talker_component.cpp)
target_compile_definitions(talker_component
  PRIVATE "COMPOSITION_BUILDING_DLL")
ament_target_dependencies(talker_component
  "rclcpp"
  "rclcpp_components"
  "std_msgs")
rclcpp_components_register_nodes(talker_component "composition::Talker")
set(node_plugins "$node_pluginscomposition::Talker;$<TARGET_FILE:talker_component>\\n")
add_executable(manual_composition
  src/manual_composition.cpp)
target_link_libraries(manual_composition
  talker_component
  listener_component
  server_component
  client_component)
ament_target_dependencies(manual_composition
  "rclcpp")

add_executable(linktime_composition
  src/linktime_composition.cpp)
set(libs
  talker_component
  listener_component
  server_component
  client_component)

2.2 package.xml

package.xml文件中，需要添加对应的​​rclcpp_components​​的components依赖：

<build_depend>example_interfaces</build_depend>
<build_depend>rclcpp</build_depend>
<build_depend>rclcpp_components</build_depend>
<build_depend>rcutils</build_depend>
<build_depend>std_msgs</build_depend>

<exec_depend>example_interfaces</exec_depend>
<exec_depend>launch_ros</exec_depend>
<exec_depend>rclcpp</exec_depend>
<exec_depend>rclcpp_components</exec_depend>
<exec_depend>rcutils</exec_depend>
<exec_depend>std_msgs</exec_depend>

<test_depend>ament_cmake_pytest</test_depend>
<test_depend>ament_lint_auto</test_depend>
<test_depend>ament_lint_common</test_depend>
<test_depend>launch</test_depend>
<test_depend>launch_testing</test_depend>
<test_depend>launch_testing_ros</test_depend>
<test_depend>launch_testing_ament_cmake</test_depend>
<test_depend>rmw_implementation_cmake</test_depend>

…详情请参照​​古月居​​