ROS2从入门到精通1-3：详解ROS2动作通信机制与自定义动作-编程知识

0 专栏介绍

本专栏旨在通过对ROS2的系统学习，掌握ROS2底层基本分布式原理，并具有机器人建模和应用ROS2进行实际项目的开发和调试的工程能力。

🚀详情：《ROS2从入门到精通》

1 动作通信模型

在ROS2中，动作通信机制提供了一种用于执行长时间运行任务的方式，由三个部分组成：

目标(goal)：对客户端的请求进行处理和响应
反馈(feedback)：对监控任务的动作执行过程提供反馈数据
结果(result)：对监控任务的执行结果提供反馈

举个机器人导航的任务说明

假设有一个机器人需要从起始点导航到目标点。通过使用动作通信机制，可以定义一个导航动作，其中目标是目标位置。机器人将发送导航目标给动作服务器，服务器将返回连续的反馈，例如机器人的当前位置，障碍物检测等。最终，当机器人到达目标位置时，服务器将返回导航任务的结果。

再比如机械臂控制

通过定义动作目标和提供连续的反馈，可以实现对机械臂的精确控制。例如，可以定义一个动作来控制机械臂移动到特定位置，反馈可以包括当前位置、力传感器的读数等。一旦机械臂到达目标位置，服务器将返回控制任务的结果

在这里插入图片描述

动作是应用级通信机制，建立在话题和服务之上，但却与话题和服务通信不同：

动作通信更适合描述一项任务的执行过程，而话题通信更适合传输实时数据;
动作通信返回一系列的反馈和一个最终结果，而服务通常只返回单个响应;
动作通信是可中断的，即在执行过程中可以取消，而服务通信通常是一次性的请求-响应模式;
…

总之，通过使用动作通信，可以实现更复杂的交互和反馈，并灵活地处理长时间运行的任务

2 动作模型实现(C++)

实验目标：客户端提交请求给turtlesim功能包的/rotate_absolute动作，在界面上使乌龟旋转，并不断监听乌龟的实时旋转数据，以及到达目标角度的反馈。

服务器

本实验中无需编程,为turtlesim::Action定义的/rotate_absolute服务

客户端

注册一个客户端

client_ptr_ = rclcpp_action::create_client<TurtleAction>(get_node_base_interface(),get_node_graph_interface(),get_node_logging_interface(),get_node_waitables_interface(),"/turtle1/rotate_absolute"
);

定义目标响应回调函数

void OnGoalResponseCallback(GoalHandle::SharedPtr goal_message) {if (!goal_message) {RCLCPP_ERROR(get_logger(), "Client: Goal was rejected by server");rclcpp::shutdown();} elseRCLCPP_INFO(get_logger(), "Client: Goal accepted by server, waiting for result");
}

定义过程反馈回调函数

void OnFeedbackCallback(GoalHandle::SharedPtr, const std::shared_ptr<const TurtleAction::Feedback> feedback_message) {std::stringstream ss;ss << "Client: Received feedback: " << feedback_message->remaining;RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "%s", ss.str().c_str());
}

定义结果回调函数

void OnResultCallback(const GoalHandle::WrappedResult & result_message) {switch (result_message.code) {case rclcpp_action::ResultCode::SUCCEEDED:break;case rclcpp_action::ResultCode::ABORTED:RCLCPP_ERROR(get_logger(), "Client: Goal was aborted");rclcpp::shutdown();return;case rclcpp_action::ResultCode::CANCELED:RCLCPP_ERROR(get_logger(), "Client: Goal was canceled");rclcpp::shutdown();return;default:RCLCPP_ERROR(get_logger(), "Client: Unknown result code");rclcpp::shutdown();return;}RCLCPP_INFO(get_logger(), "Client: Result received: %.2f", (result_message.result->delta));rclcpp::shutdown();
}

实验结果如下所示，在本实验中，theta表示发送的目标角度；remaining是过程反馈的目标角度差值信息；delta是结果响应，表示距离初始位置的角度偏差

在这里插入图片描述

3 动作模型实现(Python)

实验目标：客户端提交请求给turtlesim功能包的/rotate_absolute动作，在界面上使乌龟旋转，并不断监听乌龟的实时旋转数据，以及到达目标角度的反馈。

服务器

本实验中无需编程,为turtlesim::Action定义的/rotate_absolute服务

客户端

注册一个客户端

self.client_ = ActionClient(self, RotateAbsolute, '/turtle1/rotate_absolute')

定义目标响应回调函数

def OnGoalResponseCallback(self, future):goal_handle = future.result()  if not goal_handle.accepted: self.get_logger().info('Client: Goal was rejected by server')returnself.get_logger().info('Client: Goal accepted by server, waiting for result')self._get_result_future = goal_handle.get_result_async()self._get_result_future.add_done_callback(self.OnResultCallback)

定义过程反馈回调函数

def OnFeedbackCallback(self, feedback_msg):feedback = feedback_msg.feedbackself.get_logger().info(f'Received feedback: {feedback.remaining:.2f}')

定义结果回调函数

def OnResultCallback(self, future):if future.done():self.get_logger().info(f'Action done!')result = future.result().resultself.get_logger().info(f'Result: {result.delta:.2f}')elif future.cancelled():self.get_logger().info(f"Client: Goal was canceled")else:raise RuntimeWarning("Client: Unknown result code")

在这里插入图片描述

4 自定义动作

自定义动作的通用流程如下：

功能包下新建action文件夹，在其中添加自定义服务xxx.action,注意目标、反馈和结果数据结构使用---分割
功能包package.xml中添加编译依赖与执行依赖
<buildtool_depend>rosidl_default_generators</buildtool_depend>
<exec_depend>rosidl_default_runtime</exec_depend>
<member_of_group>rosidl_interface_packages</member_of_group>
功能包CMakeLists.txt中添加编译消息相关依赖
find_package(rosidl_default_generators REQUIRED)
rosidl_generate_interfaces(${PROJECT_NAME}"xxx.action"DEPENDENCIES xxx_actions
)ament_export_dependencies(rosidl_default_runtime)
编译自定义动作，在install/<pkg_name>/include中生成由xxx.action编译的C++可识别的xxx.hpp头文件
引入xxx.hpp即可调用自定义动作

下面给出一个实例

实现一个自定义动作，请求机器人开始圆周运动，反馈机器人的实时运动角度，并返回最终结果

添加如下自定义动作，并按上面步骤配置依赖

bool enable     # goal
---
bool finish     # result
---
int32 state     # feedback

定义一个服务器、一个客户端，限于篇幅只贴出部分代码，完整代码见文末。

服务器

class OwnActionServerNode : public rclcpp::Node
{public:using OwnAction = own_action_lab::action::MoveCircle;using GoalHandle = rclcpp_action::ServerGoalHandle<OwnAction>;explicit OwnActionServerNode(const rclcpp::NodeOptions & action_server_options = rclcpp::NodeOptions()): Node("own_action_server", action_server_options) {action_server_ = rclcpp_action::create_server<OwnAction>(get_node_base_interface(),get_node_clock_interface(),get_node_logging_interface(),get_node_waitables_interface(),"/move",std::bind(&OwnActionServerNode::OnHandleGoal, this, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2),std::bind(&OwnActionServerNode::OnHandleCancel, this, std::placeholders::_1),std::bind(&OwnActionServerNode::OnHandleAccepted, this, std::placeholders::_1));}
}

客户端

class OwnActionClientNode : public rclcpp::Node
{public:using OwnAction = own_action_lab::action::MoveCircle;using GoalHandle = rclcpp_action::ClientGoalHandle<OwnAction>;explicit OwnActionClientNode(const rclcpp::NodeOptions & node_options = rclcpp::NodeOptions()): Node("own_action_client", node_options) {client_ptr_ = rclcpp_action::create_client<OwnAction>(get_node_base_interface(),get_node_graph_interface(),get_node_logging_interface(),get_node_waitables_interface(),"/move");}
}