ROS 2从入门到精通系列（十四）：时间管理 - 模拟时钟与同步

掌握ROS2的时间系统，在仿真和实时系统中精确控制时间。

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引言

在机器人系统中，时间扮演关键角色：

• 传感器数据的时间戳
• 消息的排序和同步
• 控制命令的执行时机
• 仿真中的加速时间

ROS2提供了灵活的时间管理系统，支持 真实时间(wall time) 和 模拟时间(simulation time)。

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一、ROS2时间系统概览

1.1 两种时间源

1.2 时间源的数学模型

$$t_{ROS}=\{\begin{array}{ll}{t}_{wall}& \text{if }use\_sim\_time=false\\ t_{sim}& \text{if }use\_sim\_time=true\text{ (from /clock)}\end{array}$$

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二、Python中的时间管理

2.1 获取当前时间

#!/usr/bin/env python3
"""
ROS2时间管理
"""

import rclpy
from rclpy.node import Node
from rclpy.time import Time

class TimeManagement(Node):
    def __init__(self):
        super().__init__('time_management')

        # 获取时钟对象
        self.clock = self.get_clock()

        # 创建定时器
        self.timer = self.create_timer(1.0, self.timer_callback)

    def timer_callback(self):
        """定时回调"""
        # 获取ROS时间（自动使用wall或simulation时间）
        current_time = self.clock.now()

        # 提取时间信息
        seconds = current_time.seconds
        nanoseconds = current_time.nanoseconds

        self.get_logger().info(
            f'ROS时间: {seconds}s {nanoseconds}ns'
        )

def main(args=None):
    rclpy.init(args=args)
    node = TimeManagement()
    rclpy.spin(node)
    rclpy.shutdown()

if __name__ == '__main__':
    main()

2.2 时间比较和计算

from rclpy.time import Time
from rclpy.duration import Duration

class TimeCalcluations(Node):
    def __init__(self):
        super().__init__('time_calculations')

        self.start_time = self.get_clock().now()

    def time_operations(self):
        """时间操作示例"""
        current = self.get_clock().now()

        # 计算耗时
        elapsed_time = current - self.start_time
        elapsed_seconds = elapsed_time.nanoseconds / 1e9

        self.get_logger().info(f'已运行: {elapsed_seconds:.2f}秒')

        # 创建Duration
        wait_duration = Duration(seconds=5)

        # 比较时间
        if elapsed_time > wait_duration:
            self.get_logger().info('超过5秒了')

        # 添加时间
        future_time = current + Duration(seconds=10)
        self.get_logger().info(f'10秒后: {future_time}')

2.3 启用模拟时间

class SimulationNode(Node):
    def __init__(self):
        super().__init__('simulation_node')

        # 声明use_sim_time参数
        self.declare_parameter('use_sim_time', False)

        # 获取参数值
        use_sim_time = self.get_parameter('use_sim_time').value

        self.get_logger().info(
            f'使用模拟时间: {use_sim_time}'
        )

启动时启用模拟时间：

# 命令行方式
ros2 run your_package your_node --ros-args \
  -p use_sim_time:=true

# Launch文件方式
<node
    pkg="your_package"
    exec="your_node"
    name="your_node">
    <param name="use_sim_time" value="true"/>
</node>

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三、C++中的时间管理

3.1 基本时间操作

#include "rclcpp/rclcpp.hpp"

class TimeExample : public rclcpp::Node {
public:
    TimeExample() : Node("time_example") {
        // 创建定时器
        timer_ = this->create_wall_timer(
            std::chrono::milliseconds(1000),
            [this]() { this->timer_callback(); }
        );
    }

private:
    void timer_callback() {
        // 获取当前时间
        auto now = this->get_clock()->now();

        // 转换为秒和纳秒
        int64_t nanoseconds = now.nanoseconds();
        int64_t seconds = nanoseconds / 1000000000LL;

        RCLCPP_INFO(this->get_logger(),
            "时间: %ld.%09ld",
            seconds, nanoseconds % 1000000000LL);
    }

    rclcpp::TimerBase::SharedPtr timer_;
};

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

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四、模拟时间和Gazebo集成

4.1 在Gazebo中使用模拟时间

# 启动Gazebo（自动发布/clock话题）
gazebo simulation_world.sdf

# 启动ROS节点并使用模拟时间
ros2 launch my_robot my_robot_gazebo.launch.py

4.2 Gazebo Launch文件配置

from launch import LaunchDescription
from launch_ros.actions import Node
from launch.actions import ExecuteProcess, IncludeLaunchDescription
from launch.launch_description_sources import PythonLaunchDescriptionSource

def generate_launch_description():
    return LaunchDescription([
        # 启动Gazebo
        ExecuteProcess(
            cmd=['gazebo', '--verbose', 'world.sdf'],
            output='screen'
        ),

        # 启动ROS节点（使用模拟时间）
        Node(
            package='my_robot',
            executable='robot_controller',
            name='controller',
            output='screen',
            parameters=[
                {'use_sim_time': True}  # 启用模拟时间
            ]
        ),
    ])

4.3 监听/clock话题

#!/usr/bin/env python3
"""
监听和使用/clock话题
"""

import rclpy
from rclpy.node import Node
from rosgraph_msgs.msg import Clock

class ClockListener(Node):
    def __init__(self):
        super().__init__('clock_listener')

        # 订阅/clock话题
        self.sub = self.create_subscription(
            Clock,
            '/clock',
            self.clock_callback,
            10
        )

        self.get_logger().info('监听模拟时钟')

    def clock_callback(self, msg):
        """处理时钟消息"""
        sim_time = msg.clock
        seconds = sim_time.sec
        nanoseconds = sim_time.nanosec

        self.get_logger().info(
            f'模拟时间: {seconds}s {nanoseconds}ns'
        )

def main(args=None):
    rclpy.init(args=args)
    node = ClockListener()
    rclpy.spin(node)
    rclpy.shutdown()

if __name__ == '__main__':
    main()

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五、时间同步和时间戳管理

5.1 消息时间戳

每个ROS2消息都包含时间戳：

# 创建带时间戳的消息
msg = String()
msg.header.stamp = self.get_clock().now().to_msg()
msg.header.frame_id = 'base_link'
msg.data = 'Hello'

# 发布消息
self.pub.publish(msg)

5.2 时间戳的重要性

场景：多传感器融合

问题：数据来自不同时刻，直接融合会出现不同步的数据。

解决：使用时间戳进行对齐和插值。

5.3 时间同步工具

# 检查时间戳偏差
ros2 run rclcpp_components component_container --ros-args -r clock_pub/use_sim_time:=true

# 使用time_sync同步多个话题
ros2 run message_filters time_synchronizer \
  --topic1 /topic1 --topic2 /topic2 --slop 0.1

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六、处理时间问题

6.1 常见问题和解决方案

问题1: 订阅者收到很旧的消息时间戳
原因: 发送者时间未同步或消息延迟大
解决: 检查消息发送时间和接收时间

问题2: 模拟运行时消息处理不及时
原因: 模拟时间发布速度快，处理跟不上
解决: 增加queue_size或提高处理效率

问题3: 模拟和真实时间混淆
原因: use_sim_time配置不一致
解决: 确保所有节点use_sim_time设置一致

6.2 调试时间问题

class TimeDebugger(Node):
    def __init__(self):
        super().__init__('time_debugger')

        # 检查系统配置
        use_sim = self.get_parameter('use_sim_time').value

        self.get_logger().info(f'使用模拟时间: {use_sim}')

        # 定期检查时间
        self.timer = self.create_timer(5.0, self.check_time)

    def check_time(self):
        """定期检查时间状态"""
        now = self.get_clock().now()
        self.get_logger().info(
            f'当前时间: {now.nanoseconds / 1e9:.2f}秒'
        )

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七、本文要点总结

✅ 两种时间源：

• Wall Time (真实物理时间，默认)
• Simulation Time (从/clock话题，仿真)

✅ 启用模拟时间：

ros2 run pkg node --ros-args -p use_sim_time:=true

✅ Python时间操作：

current = self.get_clock().now()
elapsed = current - start_time
elapsed_seconds = elapsed.nanoseconds / 1e9

✅ 关键参数：

• use_sim_time - 是否使用模拟时间
• /clock - 模拟时间发布话题

✅ 最佳实践：

• 所有节点use_sim_time设置保持一致
• 给消息添加时间戳
• 在模拟和真实系统间切换时检查时间配置

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🎯 正确的时间管理是可靠的ROS2系统的基础！