一、前言

我們知道ROS是一個開源的機器人系統(tǒng)，有人叫他是操作系統(tǒng)，里面有豐富的生態(tài)，如導航等，很多大學搞研究都利用它。但是，使用ROS很多是基于linux系統(tǒng)，并且需要按照，學習，同時，很多用ROS可能只是為了使用它的消息發(fā)布訂閱機制，由于其基于的是進程間的通信，可能對通信的實時性也有一些影響。本章，我們來手搓一個純python構(gòu)建的類似ROS系統(tǒng)的消息訂閱發(fā)布系統(tǒng)，非常輕量級，可以在開發(fā)機器人時候，想輕量化不想裝ROS系統(tǒng)的朋友們。并且我們把這個消息模塊用在了無人機仿真控制環(huán)境如下：

接下來開搞.....

二、總體設想

開發(fā)這個分布訂閱系統(tǒng)的目的，我們想是作為一個機器人系統(tǒng)的“中樞神經(jīng)”系統(tǒng)，用于跟硬件打交道，并為上層運動控制軟件提供消息輸入輸出的服務，并且需要保持一定的實時性，滿足實時控制，整個框架設想如下：

三、系統(tǒng)的組成

如上圖所示，我們的一個消息訂閱發(fā)布系統(tǒng)可以負責跟硬件打交道，通過如串口、以太網(wǎng)口通信的方式去和采集硬件如網(wǎng)關進行通信，這個我們在這里命名為“第一級原始信號通訊”，然后我們會進入一個預處理模塊，對原始信號進行一些預處理，這個預處理模塊根據(jù)需要我們可以自定義修改，預處理的型號變成了上層模塊想要的格式和頻率的TOPIC（主題）后，可以將這個TOCPIC發(fā)布出來，供多個用戶訂閱后使用，這個過程我們命名為“第二級信號預處理”。經(jīng)過這個兩級處理，從底層傳感或者部件采集的不同頻率、不同格式數(shù)據(jù)就變成了可以供上層應用的有固定周期和格式的TOPIC。接下來就可以做各種應用模塊了。

四、python代碼構(gòu)建

構(gòu)建一個MessageBroker消息代理類

python實現(xiàn)的消息代理類其實也非常常見了，網(wǎng)上到處都是，這里我們結(jié)合了一下協(xié)程的概念，對普通的消息代理類進行了一些優(yōu)化，利用協(xié)程的高性能特性，勢必可以在大量的消息來源服務下保持一個好的性能，這部分有待壓力測試，發(fā)布本博文前并未經(jīng)過性能測試。源代碼如下：

以下這個是常規(guī)的MessageBroker類：

以下這個是引入?yún)f(xié)程的MessageBroker類：

如上所述，我們可以實例化這個類之后，通過start（）啟動這個消息服務，并且是在新線程中運行，不會影響主線程，也保持了一定的實時性，然后在main（）這個消息分發(fā)處理方法中，采用了協(xié)程處理，這樣理論上會提高處理時間。

此外，可以通過`subscribe` 和`unsubscribe` 來訂閱相關的主題，用`publish` 發(fā)布主題：

下面是使用MessageBroker消息代理類

運行如下：

構(gòu)建一個DataProcessor消息預處理類

根據(jù)我們的設想，是要建設一個消息預處理系統(tǒng)，也就是對原始數(shù)據(jù)進行加工處理，將原始數(shù)據(jù)按照一定的頻率發(fā)布出去供上層訂閱使用。這個DataProcessor是這么構(gòu)建的：

如上所述，我們在`DataProcessor`初始化時定義了`interval` 消息更新的周期，`broker` 指定的分發(fā)模塊，`topic` 預處理完后的消息名稱如“機械臂末端坐標”，`processer` 預處理的自定義函數(shù)，預處理默認我們內(nèi)置了一個在周期內(nèi)取平均的過濾器。這樣就可以把各路原始數(shù)據(jù)來自`一級系統(tǒng)`進行預處理后在`二級系統(tǒng)`的`broker`中進行發(fā)布了。

此外，我們知道原始數(shù)據(jù)路數(shù)非常多，如果使用串行進行預處理肯定是不合理的，特別是用到某些耗時的預處理函數(shù)時，那么我們還是引入了協(xié)程處理的方式，通過再開啟一個線程，并集中創(chuàng)建預處理任務的方式，讓各路預處理函數(shù)平行運行，這樣就提高了效率。于是我們再要構(gòu)建一個類`DataProcessors`

構(gòu)建一個DataProcessors平行協(xié)程處理類

這個類的代碼如下：

綜合應用示例

結(jié)合以上三個模塊，我們就完成了本標題的一個類ROS機器人消息訂閱發(fā)布模塊，以下是簡易使用：

如上所述，我們對一級原始數(shù)據(jù)通過broker進行發(fā)布"topic1"給預處理器processor，processor在processors的線程里周期處理原始數(shù)據(jù)，處理完后按照周期為1s定時進行發(fā)布"topic2"，"topic2"即為成品數(shù)據(jù)，給subscriber4使用。

如上圖，紅框為原始數(shù)據(jù)，紅線為預處理后的成品數(shù)據(jù)（這里是平均值）。

# 五、總結(jié)

好了到此，我們構(gòu)建了一個非常輕量的類ROS機器人消息訂閱發(fā)布模塊，當然跟ROS其實沒有半毛錢關系，也沒法比較，只是一個說頭。源碼已經(jīng)上傳至云盤，評論區(qū)留言獲取。

下一篇我們將這個系統(tǒng)用于無人機的控制，盡情期待.....