micro_ros自定义话题发布频率

测试环境：

• vmware虚拟机+ubuntu20.04+ros2 foxy
• esp32 (micro_ros_arduino)

0. 写在前面

• micro_ros可以将MCU与ros系统进行无缝集成，实现话题的订阅、发布，服务的建立等；
• 实际使用中，我们可能需要通过micro_ros实现高频的数据传输or通讯；
• 本文基于串口通讯实现micro_ros的话题发布；
• 影响micro_ros话题发布频率的有：串口波特率、定时器频率、QoS策略等；

1. 话题发布频率影响因素

1.1 串口波特率

• 串口通讯中，越高的串口波特率代表单位时间可以传输的数据量更大。
• micro_ros_arduino默认的串口波特率为115200；
• 想要修改默认的波特率，可以自行修改相关的代码；
• 打开micro_ros_arduino文件夹，文件路径：C:\Users\你自己的用户文件夹\Documents\Arduino\libraries\micro_ros_arduino-2.0.5-foxy\src
• 打开default_transport.cpp，将下图中的115200修改为自定义的波特率
• 可能并非所有波特率都支持，在实测过程中，我使用250000波特率无法实现通讯，使用921600反而可以，官方也并未进行详细解释说明；
• 遇到自定义波特率通讯不成功的问题，可以在micro_ros_arduino提issue；

 bool arduino_transport_open(struct uxrCustomTransport * transport)
  {
    Serial.begin(115200); //修改115200为自定义波特率，如409600、921600等
    return true;
  }

• 重新编译代码即可；

1.2 定时器频率

• 打开micro_ros中的示例代码：micro-ros_publisher.ino

  // create timer,
  const unsigned int timer_timeout = 1000;// 修改timer_timeout
  RCCHECK(rclc_timer_init_default(
    &timer,
    &support,
    RCL_MS_TO_NS(timer_timeout),
    timer_callback));

• 修改timer_timeout；若timer_timeout=1000，则代表1000ms的定时器，即1000ms发布一次；若timer_timeout=500，则代表500ms的定时器，即500ms发布一次；
• 若tiemr_timeout的值小于100，即希望话题发布的频率>10Hz，需要注释掉loop循环中的delay(100);

void loop() {
//  delay(100);
  RCSOFTCHECK(rclc_executor_spin_some(&executor, RCL_MS_TO_NS(100)));
}

1.3 QoS策略

• QoS策略参考官方文档
• 简而言之：
  1. 若话题发布频率较低，如10~30Hz，使用rclc_publisher_init_default
  2. 若话题发布频率较高，如>30Hz，使用rclc_publisher_init_best_effort

  // create publisher
  RCCHECK(rclc_publisher_init_default( /*高频数据传输使用rclc_publisher_init_best_effort*/
    &publisher,
    &node,
    ROSIDL_GET_MSG_TYPE_SUPPORT(std_msgs, msg, Int32),
    "micro_ros_arduino_node_publisher"));

• 注意QoS的兼容性，best_effort的publisher必须对应best_effort的subscription;

2. 实测话题发布频率

• 下面的测试需要注释loop循环中的**delay(100);

2.1 默认波特率+default QoS(rclc_publisher_init_default)

• 基于micro_ros中的示例代码：micro-ros_publisher.ino
• 使用默认波特率115200，仅通过修改timer_timeout改变话题发布频率；依次修改timer_timeout的值为100、10、1，即话题发布频率分别为10Hz、100Hz、1000Hz；
• 使用ros2 topic hz /micro_ros_arduino_node_publisher 查看发布发布频率；

2.2 自定义波特率+default QoS(rclc_publisher_init_default)

• 基于micro_ros中的示例代码：micro-ros_publisher.ino
• 修改波特率为921600，依次修改timer_timeout的值为100、10、1，即话题发布频率分别为10Hz、100Hz、1000Hz；
• 运行micro_agent时需要指定波特率，利用-b设置波特率参数：ros2 run micro_ros_agent micro_ros_agent serial --dev /dev/ttyUSB0 -b 921600
• 使用ros2 topic hz /micro_ros_arduino_node_publisher 查看发布发布频率；

2.3 默认波特率+best_effort QoS(rclc_publisher_init_best_effort)

• 基于micro_ros中的示例代码：micro-ros_publisher.ino
• 修改rclc_publisher_init_default为rclc_publisher_init_best_effort
• 使用默认波特率115200，仅通过修改timer_timeout改变话题发布频率；依次修改timer_timeout的值为100、10、1，即话题发布频率分别为10Hz、100Hz、1000Hz；
• 使用ros2 topic hz /micro_ros_arduino_node_publisher 查看发布发布频率；

2.4 自定义波特率+best_effort QoS(rclc_publisher_init_best_effort)

• 基于micro_ros中的示例代码：micro-ros_publisher.ino
• 修改rclc_publisher_init_default为rclc_publisher_init_best_effort
• 使用自定义波特率921600，仅通过修改timer_timeout改变话题发布频率；依次修改timer_timeout的值为100、10、1，即话题发布频率分别为10Hz、100Hz、1000Hz；
• 运行micro_agent时需要指定波特率，利用-b设置波特率参数：ros2 run micro_ros_agent micro_ros_agent serial --dev /dev/ttyUSB0 -b 921600
• 使用ros2 topic hz /micro_ros_arduino_node_publisher 查看发布发布频率；

2.5 极限发布频率实测

• 基于micro_ros中的示例代码：micro-ros_publisher.ino
• 修改rclc_publisher_init_default为rclc_publisher_init_best_effort
• 使用自定义波特率921600，设置timer_timeout=0.1，即理论定时器频率10000Hz；
• 运行micro_agent时需要指定波特率，利用-b设置波特率参数：ros2 run micro_ros_agent micro_ros_agent serial --dev /dev/ttyUSB0 -b 921600
• 使用ros2 topic hz /micro_ros_arduino_node_publisher 查看发布发布频率；

3. 总结

• default模式下，单个int32数据发布极限在300Hz(921600bps下)
• best_effort模式下，单个int32数据发布极限在约3600Hz(921600bps下)
• 一个int32占用4个byte,3600Hz的发布频率对应波特率为：

3600*4*(10/8)*8=144000b/s

• 跟921600bps差别较大，因此波特率已经不是数据发布频率的限制因素了，猜测是定时器；
• 可以参考官方issue
• 但是稳定的1000Hz数据传输应该满足我们绝大部分需求了