服务
话题通信可以实现多个ROS节点之间数据的单向传输，使用这种异步通信机制，发布者无法准确知道订阅者是否收到消息，本讲我们将一起学习ROS另外一种常用的通信方法——服务，可以实现类似你问我答的同步通信效果。
通信模型
在之前的课程中，我们通过一个节点驱动相机，发布图像话题，另外一个节点订阅图像话题，并实现对其中红色物体的识别，此时我们可以按照图像识别的频率，周期得到物体的位置。
这个位置信息可以继续发给机器人的上层应用使用，比如可以跟随目标运动，或者运动到目标位置附近。此时，我们并不需要这么高的频率一直订阅物体的位置，而是更希望在需要这个数据的时候，发一个查询的请求，然后尽快得到此时目标的最新位置。
这样的通信模型和话题单向传输有所不同，变成了发送一个请求，反馈一个应答的形式，好像是你问我答一样，这种通信机制在ROS中成为服务，Service。
客户端/服务器模型
从服务的实现机制上来看，这种你问我答的形式叫做客户端/服务器模型，简称为CS模型，客户端在需要某些数据的时候，针对某个具体的服务，发送请求信息，服务器端收到请求之后，就会进行处理并反馈应答信息。
这种通信机制在生活中也很常见，比如我们经常浏览的各种网页，此时你的电脑浏览器就是客户端，通过域名或者各种操作，向网站服务器发送请求，服务器收到之后返回需要展现的页面数据。
同步通信
这个过程一般要求越快越好，假设服务器半天没有反应，你的浏览器一直转圈圈，那有可能是服务器宕机了，或者是网络不好，所以相比话题通信，在服务通信中，客户端可以通过接收到的应答信息，判断服务器端的状态，我们也称之为同步通信。
一对多通信
比如古月居这个网站，服务器是唯一存在的，并没有多个完全一样的古月居网站，但是可以访问古月居网站的客户端是不唯一的，大家每一个人都可以看到同样的界面。所以服务通信模型中，服务器端唯一，但客户端可以不唯一。
服务接口
和话题通信类似，服务通信的核心还是要传递数据，数据变成了两个部分，一个请求的数据，比如请求苹果位置的命令，还有一个反馈的数据，比如反馈苹果坐标位置的数据，这些数据和话题消息一样，在ROS中也是要标准定义的，话题使用.msg文件定义，服务使用的是.srv文件定义，后续我们会给大家介绍定义的方法。
案例一：加法求解器
大家现在对ROS服务通信应该有了基本了解，接下来我们就要开始编写代码啦。还是从一个相对简单的例程开始，也是ROS官方的一个例程，通过服务实现一个加法求解器的功能。
当我们需要计算两个加数的求和结果时，就通过客户端节点，将两个加数封装成请求数据，针对服务“add_two_ints”发送出去，提供这个服务的服务器端节点，收到请求数据后，开始进行加法计算，并将求和结果封装成应答数据，反馈给客户端，之后客户端就可以得到想要的结果啦。
运行效果
我们一起操作下这个例程，并且看下代码的实现原理。
启动两个终端，并运行如下节点，第一个节点是服务端，等待请求数据并提供求和功能，第二个节点是客户端，发送传入的两个加数并等待求和结果。
$ ros2 run learning_service service_adder_server
$ ros2 run learning_service service_adder_client 2 3
客户端代码解析
我们来看下客户端的实现方法。
程序实现
learning_service/service_adder_client.py
#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-
"""
@作者: 古月居(www.guyuehome.com)
@说明: ROS2服务示例-发送两个加数，请求加法器计算
"""
import sys
import rclpy # ROS2 Python接口库
from rclpy.node import Node # ROS2 节点类
from learning_interface.srv import AddTwoInts # 自定义的服务接口
class adderClient(Node):
def __init__(self, name):
super().__init__(name) # ROS2节点父类初始化
self.client = self.create_client(AddTwoInts, 'add_two_ints') # 创建服务客户端对象（服务接口类型，服务名）
while not self.client.wait_for_service(timeout_sec=1.0): # 循环等待服务器端成功启动
self.get_logger().info('service not available, waiting again...')
self.request = AddTwoInts.Request() # 创建服务请求的数据对象
def send_request(self): # 创建一个发送服务请求的函数
self.request.a = int(sys.argv[1])
self.request.b = int(sys.argv[2])
self.future = self.client.call_async(self.request) # 异步方式发送服务请求
def main(args=None):
rclpy.init(args=args) # ROS2 Python接口初始化
node = adderClient("service_adder_client") # 创建ROS2节点对象并进行初始化
node.send_request() # 发送服务请求
while rclpy.ok(): # ROS2系统正常运行
rclpy.spin_once(node) # 循环执行一次节点
if node.future.done(): # 数据是否处理完成
try:
response = node.future.result() # 接收服务器端的反馈数据
except Exception as e:
node.get_logger().info(
'Service call failed %r' % (e,))
else:
node.get_logger().info( # 将收到的反馈信息打印输出
'Result of add_two_ints: for %d + %d = %d' %
(node.request.a, node.request.b, response.sum))
break
node.destroy_node() # 销毁节点对象
rclpy.shutdown() # 关闭ROS2 Python接口
完成代码的编写后需要设置功能包的编译选项，让系统知道Python程序的入口，打开功能包的setup.py文件，加入如下入口点的配置：
entry_points={
'console_scripts': [
'service_adder_client = learning_service.service_adder_client:main',
],
},
流程总结
对以上程序进行分析，如果我们想要实现一个客户端，流程如下：
- 编程接口初始化
- 创建节点并初始化
- 创建客户端对象
- 创建并发送请求数据
- 等待服务器端应答数据
- 销毁节点并关闭接口
服务端代码解析
至于服务器端的实现，有点类似话题通信中的订阅者，并不知道请求数据什么时间出现，也用到了回调函数机制。
程序实现
learning_service/service_adder_server.py
#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-
"""
@作者: 古月居(www.guyuehome.com)
@说明: ROS2服务示例-提供加法器的服务器处理功能
"""
import rclpy # ROS2 Python接口库
from rclpy.node import Node # ROS2 节点类
from learning_interface.srv import AddTwoInts # 自定义的服务接口
class adderServer(Node):
def __init__(self, name):
super().__init__(name) # ROS2节点父类初始化
self.srv = self.create_service(AddTwoInts, 'add_two_ints', self.adder_callback) # 创建服务器对象（接口类型、服务名、服务器回调函数）
def adder_callback(self, request, response): # 创建回调函数，执行收到请求后对数据的处理
response.sum = request.a + request.b # 完成加法求和计算，将结果放到反馈的数据中
self.get_logger().info('Incoming request\na: %d b: %d' % (request.a, request.b)) # 输出日志信息，提示已经完成加法求和计算
return response # 反馈应答信息
def main(args=None): # ROS2节点主入口main函数
rclpy.init(args=args) # ROS2 Python接口初始化
node = adderServer("service_adder_server") # 创建ROS2节点对象并进行初始化
rclpy.spin(node) # 循环等待ROS2退出
node.destroy_node() # 销毁节点对象
rclpy.shutdown() # 关闭ROS2 Python接口
完成代码的编写后需要设置功能包的编译选项，让系统知道Python程序的入口，打开功能包的setup.py文件，加入如下入口点的配置：
entry_points={
'console_scripts': [
'service_adder_client = learning_service.service_adder_client:main',
'service_adder_server = learning_service.service_adder_server:main',
],
},
流程总结
对以上程序进行分析，如果我们想要实现一个服务端，流程如下：
- 编程接口初始化
- 创建节点并初始化
- 创建服务器端对象
- 通过回调函数处进行服务
- 向客户端反馈应答结果
- 销毁节点并关闭接口
案例二：机器视觉识别
好啦，加法求解器已经实现了，回想下刚才我们提到的视觉识别流程，当我们需要知道目标物体位置的时候，通过服务通信的机制，岂不是更加合理。
运行效果
此时会有三个节点出现：
- 相机驱动节点，发布图像数据；
- 视觉识别节点，订阅图像数据，并且集成了一个服务器端对象，随时准备提供目标位置；
- 客户端节点，我们可以认为是一个机器人目标跟踪的节点，当需要根据目标运动时，就发送一次请求，然后拿到一个当前的目标位置。
启动三个终端，分别运行上述三个节点：
$ ros2 run usb_cam usb_cam_node_exe
$ ros2 run learning_service service_object_server
$ ros2 run learning_service service_object_client
客户端代码解析
learning_service/service_object_client.py
#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-
"""
@作者: 古月居(www.guyuehome.com)
@说明: ROS2服务示例-请求目标识别，等待目标位置应答
"""
import rclpy # ROS2 Python接口库
from rclpy.node import Node # ROS2 节点类
from learning_interface.srv import GetObjectPosition # 自定义的服务接口
class objectClient(Node):
def __init__(self, name):
super().__init__(name) # ROS2节点父类初始化
self.client = self.create_client(GetObjectPosition, 'get_target_position')
while not self.client.wait_for_service(timeout_sec=1.0):
self.get_logger().info('service not available, waiting again...')
self.request = GetObjectPosition.Request()
def send_request(self):
self.request.get = True
self.future = self.client.call_async(self.request)
def main(args=None):
rclpy.init(args=args) # ROS2 Python接口初始化
node = objectClient("service_object_client") # 创建ROS2节点对象并进行初始化
node.send_request()
while rclpy.ok():
rclpy.spin_once(node)
if node.future.done():
try:
response = node.future.result()
except Exception as e:
node.get_logger().info(
'Service call failed %r' % (e,))
else:
node.get_logger().info(
'Result of object position:\n x: %d y: %d' %
(response.x, response.y))
break
node.destroy_node() # 销毁节点对象
rclpy.shutdown() # 关闭ROS2 Python接口
完成代码的编写后需要设置功能包的编译选项，让系统知道Python程序的入口，打开功能包的setup.py文件，加入如下入口点的配置：
entry_points={
'console_scripts': [
'service_adder_client = learning_service.service_adder_client:main',
'service_adder_server = learning_service.service_adder_server:main',
'service_object_client = learning_service.service_object_client:main',
],
},
服务端代码解析
learning_service/service_object_server.py
#!/usr/bin/env python3
# -*- coding: utf-8 -*-
"""
@作者: 古月居(www.guyuehome.com)
@说明: ROS2服务示例-提供目标识别服务
"""
import rclpy # ROS2 Python接口库
from rclpy.node import Node # ROS2 节点类
from sensor_msgs.msg import Image # 图像消息类型
import numpy as np # Python数值计算库
from cv_bridge import CvBridge # ROS与OpenCV图像转换类
import cv2 # Opencv图像处理库
from learning_interface.srv import GetObjectPosition # 自定义的服务接口
lower_red = np.array([0, 90, 128]) # 红色的HSV阈值下限
upper_red = np.array([180, 255, 255]) # 红色的HSV阈值上限
class ImageSubscriber(Node):
def __init__(self, name):
super().__init__(name) # ROS2节点父类初始化
self.sub = self.create_subscription(
Image, 'image_raw', self.listener_callback, 10) # 创建订阅者对象（消息类型、话题名、订阅者回调函数、队列长度）
self.cv_bridge = CvBridge() # 创建一个图像转换对象，用于OpenCV图像与ROS的图像消息的互相转换
self.srv = self.create_service(GetObjectPosition, # 创建服务器对象（接口类型、服务名、服务器回调函数）
'get_target_position',
self.object_position_callback)
self.objectX = 0
self.objectY = 0
def object_detect(self, image):
hsv_img = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2HSV) # 图像从BGR颜色模型转换为HSV模型
mask_red = cv2.inRange(hsv_img, lower_red, upper_red) # 图像二值化
contours, hierarchy = cv2.findContours(
mask_red, cv2.RETR_LIST, cv2.CHAIN_APPROX_NONE) # 图像中轮廓检测
for cnt in contours: # 去除一些轮廓面积太小的噪声
if cnt.shape[0] < 150:
continue
(x, y, w, h) = cv2.boundingRect(cnt) # 得到苹果所在轮廓的左上角xy像素坐标及轮廓范围的宽和高
cv2.drawContours(image, [cnt], -1, (0, 255, 0), 2)# 将苹果的轮廓勾勒出来
cv2.circle(image, (int(x+w/2), int(y+h/2)), 5,
(0, 255, 0), -1) # 将苹果的图像中心点画出来
self.objectX = int(x+w/2)
self.objectY = int(y+h/2)
cv2.imshow("object", image) # 使用OpenCV显示处理后的图像效果
cv2.waitKey(50)
def listener_callback(self, data):
self.get_logger().info('Receiving video frame') # 输出日志信息，提示已进入回调函数
image = self.cv_bridge.imgmsg_to_cv2(data, 'bgr8') # 将ROS的图像消息转化成OpenCV图像
self.object_detect(image) # 苹果检测
def object_position_callback(self, request, response): # 创建回调函数，执行收到请求后对数据的处理
if request.get == True:
response.x = self.objectX # 目标物体的XY坐标
response.y = self.objectY
self.get_logger().info('Object position\nx: %d y: %d' %
(response.x, response.y)) # 输出日志信息，提示已经反馈
else:
response.x = 0
response.y = 0
self.get_logger().info('Invalid command') # 输出日志信息，提示已经反馈
return response
def main(args=None): # ROS2节点主入口main函数
rclpy.init(args=args) # ROS2 Python接口初始化
node = ImageSubscriber("service_object_server") # 创建ROS2节点对象并进行初始化
rclpy.spin(node) # 循环等待ROS2退出
node.destroy_node() # 销毁节点对象
rclpy.shutdown() # 关闭ROS2 Python接口
完成代码的编写后需要设置功能包的编译选项，让系统知道Python程序的入口，打开功能包的setup.py文件，加入如下入口点的配置：
entry_points={
'console_scripts': [
'service_adder_client = learning_service.service_adder_client:main',
'service_adder_server = learning_service.service_adder_server:main',
'service_object_client = learning_service.service_object_client:main',
'service_object_server = learning_service.service_object_server:main',
],
},
服务命令行操作
服务命令的常用操作如下：
$ ros2 service list # 查看服务列表
$ ros2 service type <service_name> # 查看服务数据类型
$ ros2 service call <service_name> <service_type> <service_data> # 发送服务请求
思考题
话题和服务是ROS中最为常用的两种数据通信方法，前者适合传感器、控制指令等周期性、单向传输的数据，后者适合一问一答，同步性要求更高的数据，比如获取机器视觉识别到的目标位置。
在机器人开发过程中，类似的通信应用比比皆是，ROS针对绝大部分通用场景，都设计了标准的话题和服务数据类型，比如图像数据、雷达数据、里程计数据等等，不过机器人软硬件繁杂，很多时候这些标准定义也无法满足我们的需求，这个时候，我们就要自定义通信接口了。
参考链接
https://docs.ros.org/en/humble/Tutorials/Services/Understanding-ROS2-Services.html
