4. ROS2通信机制：话题通信实战、服务通信实战、自定义消息与服务接口

通信机制，说白了就是机器人系统里各个模块之间怎么“说话”。你想想看，一个机器人身上有激光雷达、摄像头、电机驱动、路径规划……这些节点如果各干各的，那跟一堆散沙没区别。ROS2 提供了两种最核心的通信方式：话题（Topic）和服务（Service）。这一章，咱们就动手把它们跑通，再聊聊怎么定义自己的消息类型。

4.1 话题通信实战：让数据流起来

话题通信是 ROS2 里用得最多的模式。一个节点发布消息，零个或多个节点订阅接收。发布者和订阅者之间不需要知道对方的存在，完全解耦。

我个人习惯把话题想象成一个“广播电台”。发布者就是电台主持人，一直在说话；订阅者就是听众，想听就打开收音机。主持人不知道谁在听，听众也不知道主持人长什么样——但双方都知道“频率”（话题名）和“语言”（消息类型）。

4.1.1 编写发布者节点

咱们先写一个简单的发布者，每隔 0.5 秒发布一次“Hello ROS2”字符串消息。

// publisher.cpp
#include "rclcpp/rclcpp.hpp"
#include "std_msgs/msg/string.hpp"

class SimplePublisher : public rclcpp::Node
{
public:
    SimplePublisher() : Node("simple_publisher")
    {
        publisher_ = this->create_publisher<std_msgs::msg::String>("chatter", 10);
        timer_ = this->create_wall_timer(
            std::chrono::milliseconds(500),
            std::bind(&SimplePublisher::timer_callback, this));
    }

private:
    void timer_callback()
    {
        auto message = std_msgs::msg::String();
        message.data = "Hello ROS2";
        publisher_->publish(message);
        RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "发布: '%s'", message.data.c_str());
    }
    rclcpp::Publisher<std_msgs::msg::String>::SharedPtr publisher_;
    rclcpp::TimerBase::SharedPtr timer_;
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    rclcpp::init(argc, argv);
    rclcpp::spin(std::make_shared<SimplePublisher>());
    rclcpp::shutdown();
    return 0;
}

4.1.2 编写订阅者节点

订阅者这边更简单。只需要声明一个回调函数，消息来了自动触发。

// subscriber.cpp
#include "rclcpp/rclcpp.hpp"
#include "std_msgs/msg/string.hpp"

class SimpleSubscriber : public rclcpp::Node
{
public:
    SimpleSubscriber() : Node("simple_subscriber")
    {
        subscription_ = this->create_subscription<std_msgs::msg::String>(
            "chatter", 10,
            std::bind(&SimpleSubscriber::topic_callback, this, std::placeholders::_1));
    }

private:
    void topic_callback(const std_msgs::msg::String::SharedPtr msg)
    {
        RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "收到: '%s'", msg->data.c_str());
    }
    rclcpp::Subscription<std_msgs::msg::String>::SharedPtr subscription_;
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    rclcpp::init(argc, argv);
    rclcpp::spin(std::make_shared<SimpleSubscriber>());
    rclcpp::shutdown();
    return 0;
}

编译运行后，你会看到发布者每秒打印两次“发布: Hello ROS2”，订阅者同步打印“收到: Hello ROS2”。这就是最基础的话题通信。

4.2 服务通信实战：一问一答

话题适合持续的数据流，但有些场景需要“你问我答”。比如让机器人抓取一个物体，你需要发送“抓取目标坐标”，然后等待机器人回复“成功/失败”。这时候就该服务上场了。

服务通信是同步的：客户端发送请求后阻塞等待，服务端处理完返回响应。ROS2 的服务基于相同的底层 DDS 实现，但语义上更接近 RPC（远程过程调用）。

4.2.1 编写服务端节点

咱们用 ROS2 内置的 std_srvs/srv/SetBool 服务类型，实现一个简单的开关控制。

// service_server.cpp
#include "rclcpp/rclcpp.hpp"
#include "std_srvs/srv/set_bool.hpp"

class SimpleServiceServer : public rclcpp::Node
{
public:
    SimpleServiceServer() : Node("simple_service_server")
    {
        service_ = this->create_service<std_srvs::srv::SetBool>(
            "toggle_switch",
            std::bind(&SimpleServiceServer::handle_service, this,
                      std::placeholders::_1, std::placeholders::_2));
    }

private:
    void handle_service(
        const std::shared_ptr<std_srvs::srv::SetBool::Request> request,
        std::shared_ptr<std_srvs::srv::SetBool::Response> response)
    {
        if (request->data) {
            response->success = true;
            response->message = "开关已打开";
        } else {
            response->success = true;
            response->message = "开关已关闭";
        }
        RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "收到请求: %s, 回复: %s",
                    request->data ? "true" : "false",
                    response->message.c_str());
    }
    rclcpp::Service<std_srvs::srv::SetBool>::SharedPtr service_;
};

4.2.2 编写客户端节点

客户端这边需要等待服务可用，然后发送请求。

// service_client.cpp
#include "rclcpp/rclcpp.hpp"
#include "std_srvs/srv/set_bool.hpp"

class SimpleServiceClient : public rclcpp::Node
{
public:
    SimpleServiceClient() : Node("simple_service_client")
    {
        client_ = this->create_client<std_srvs::srv::SetBool>("toggle_switch");
    }

    void send_request(bool value)
    {
        while (!client_->wait_for_service(std::chrono::seconds(1))) {
            RCLCPP_WARN(this->get_logger(), "等待服务上线...");
        }

        auto request = std::make_shared<std_srvs::srv::SetBool::Request>();
        request->data = value;

        auto future = client_->async_send_request(request);
        // 这里可以用 future.get() 阻塞等待，或者绑定回调
        if (rclcpp::spin_until_future_complete(this->get_node_base_interface(), future) ==
            rclcpp::FutureReturnCode::SUCCESS)
        {
            auto response = future.get();
            RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "服务响应: success=%d, message='%s'",
                        response->success, response->message.c_str());
        }
    }
    rclcpp::Client<std_srvs::srv::SetBool>::SharedPtr client_;
};

4.3 自定义消息与服务接口

内置的消息类型（String、Int32、SetBool 等）只能应付简单场景。实际项目中，你需要传输激光雷达点云、图像、机器人状态等复杂数据。这时候就得自己定义接口了。

ROS2 的接口定义文件有三种：.msg（消息）、.srv（服务）、.action（动作）。咱们先看前两种。

4.3.1 定义自定义消息

假设我们要传输一个“机器人状态”消息，包含位置、速度和电池电量。在功能包下创建 msg/RobotStatus.msg：

# RobotStatus.msg
float32 x
float32 y
float32 theta
float32 linear_velocity
float32 angular_velocity
float32 battery_percentage

然后在 CMakeLists.txt 中添加：

rosidl_generate_interfaces(${PROJECT_NAME}
  "msg/RobotStatus.msg"
  "srv/GetStatus.srv"
)

编译后，你就可以像使用标准消息一样使用 your_package::msg::RobotStatus 了。

4.3.2 定义自定义服务

服务接口包含请求和响应两部分。创建 srv/GetStatus.srv：

# GetStatus.srv
# 请求：空（不需要输入）
---
# 响应
your_package_msgs/msg/RobotStatus status
bool success
string message

注意 --- 分隔了请求和响应。请求部分可以为空，但响应部分必须至少有一个字段。

4.3.3 接口定义的最佳实践

原则	说明	我踩过的坑
字段类型明确	尽量使用 ROS2 原生类型（float32、int32、string），避免嵌套过深	有一次我用了嵌套 4 层的消息，编译没问题，但序列化性能惨不忍睹
版本兼容	接口一旦发布，不要删除已有字段，只能新增可选字段	团队里有人改了接口字段名，导致其他模块全部编译失败，折腾了一下午
命名规范	包名用下划线，消息/服务名用驼峰	这个其实 ROS2 官方有推荐，但很多人不遵守，导致代码可读性差
默认值	给数值类型设置合理的默认值，避免未初始化数据	电池电量默认 0.0，结果日志里全是 0%，排查了半天才发现是忘记赋值

4.4 本章小结

话题和服务是 ROS2 通信的两大基石。话题适合传感器数据、状态信息等持续流；服务适合触发式、需要确认的操作。自定义接口让你能定义自己的数据结构，把机器人的“语言”规范化。

嗯，这里要注意一点：不要一上来就用自定义接口。先用标准消息把功能跑通，确认逻辑没问题后再抽象出通用接口。我见过太多人一开始就设计复杂的接口体系，结果改需求时全得重来。