ROS1与ROS2节点间通信兼容性问题

Question

在混合使用ROS1与ROS2的异构机器人系统中，如何通过ros1_bridge实现话题通信时保证消息类型严格匹配与时间戳同步？常见问题包括：由于ROS1与ROS2的消息定义差异或嵌套消息结构不一致，导致桥接节点无法自动映射；传感器数据（如Lidar点云或IMU）因时间戳使用不同时间源（ROS1使用系统时间，ROS2支持单调时钟）引发数据错序或被丢弃。此外，动态加载桥接器时未正确配置白名单，致使关键话题无法透传。这些问题严重影响系统稳定性与实时性，需深入理解桥接机制并合理设计接口规范。

Answer 1

混合ROS1与ROS2系统中通过ros1_bridge实现话题通信的深度解析

1. 背景与挑战概述

在当前机器人系统向ROS2迁移的过程中，大量遗留的ROS1模块仍需运行。因此，构建一个稳定、高效的异构ROS系统成为工程实践中的关键任务。其中，ros1_bridge作为官方提供的桥接工具，承担着跨版本话题通信的核心职责。

然而，在实际部署中常面临三大核心问题：

• 消息类型映射失败：由于ROS1与ROS2的消息定义存在细微差异（如字段命名、嵌套结构），导致桥接器无法自动识别并转换；
• 时间戳不同步：ROS1默认使用系统时钟（time(NULL)），而ROS2支持单调时钟（RCL_ROS_TIME），造成传感器数据如Lidar点云或IMU出现错序甚至被滤除；
• 白名单配置缺失：动态加载桥接节点时未显式声明需转发的话题，导致关键数据流中断。

这些问题直接影响系统的实时性与可靠性，尤其在自动驾驶、SLAM等对时间敏感的应用场景中尤为突出。

2. ros1_bridge工作原理剖析

ros1_bridge基于共享内存和动态库加载机制，在ROS1 master与ROS2 domain之间建立双向代理。其核心组件包括：

组件	功能描述	所在环境
Dynamic Bridge	自动探测可桥接话题并创建连接	ROS2侧
Static Bridge	预定义话题映射关系，确保确定性通信	双端
Type Adapter	处理消息类型的序列化/反序列化与字段对齐	C++层
Clock Synchronizer	协调时间源差异，提供统一时间基准	可选插件

桥接过程涉及元数据比对、消息序列化格式转换（ROS1为CDR旧版，ROS2为CDR v2）、以及回调线程调度管理。

3. 消息类型严格匹配的技术路径

为解决因消息结构不一致导致的映射失败，建议采取以下分步策略：

1. 使用ros2 pkg list | grep -i sensor_msgs确认双方共有的消息包版本；
2. 对比ROS1与ROS2中目标消息（如sensor_msgs/Imu）的字段布局：
   

   rosmsg show sensor_msgs/Imu

   注意字段顺序、数组维度及嵌套子消息是否一致；
• 对于自定义消息，必须保证.msg文件完全一致，并分别在ROS1与ROS2工作空间中独立编译；
• 启用类型调试模式：
  

  export ROS_BRIDGE_DEBUG=true
  ros2 run ros1_bridge dynamic_bridge --print-pairs

  查看所有可桥接的消息对。

• 4. 时间戳同步机制设计

  时间戳错乱是导致SLAM失效或控制延迟的主要原因。根本在于ROS1与ROS2的时间语义差异：

  graph TD A[ROS1 Node] -->|发布带有sys_time的时间戳| B(ros1_bridge) C[ROS2 Node] -->|期望monotonic或ROS_TIME| D(Time Validation Filter) B -->|默认透传system_time| D D -->|检测到非单调跳变| E[丢弃或警告] F[Clock Server] -->|广播/tf_time, /clock| G{启用use_sim_time?} G -->|是| H[统一仿真时间源] G -->|否| I[依赖本地时钟同步]

  解决方案包括：

  • 全局启用仿真时间：
    在ROS1与ROS2启动脚本中均设置：
    

    export ROS_USE_SIM_TIME=true

    并由统一的/clock发布者驱动；
  • 部署PTP或NTP服务，确保物理机间时钟偏差小于1ms；
  • 在桥接层注入时间重写逻辑——通过自定义BridgeHook修改header.stamp为当前ROS2时间；
  • 使用message_filters::TimeSynchronizer在接收端进行软同步补偿。

  5. 白名单配置与动态桥接优化

  为避免动态桥接遗漏关键话题，推荐采用静态+动态混合模式。示例配置如下：

  # bridge_config.yaml
  topics:
    - name: /laser_scan
      type: sensor_msgs/LaserScan
      depth: 10
    - name: /imu/data
      type: sensor_msgs/Imu
      depth: 20
    - name: /odom
      type: nav_msgs/Odometry
      depth: 5
  

  启动命令：

  ros2 run ros1_bridge static_bridge \
    --bridge-all-topics \
    --config-file ./bridge_config.yaml

  该方式确保即使话题尚未激活，桥接通道也已预先建立，提升系统鲁棒性。

表：常见传感器消息兼容性对照表 消息类型 ROS1状态 ROS2状态 兼容性 sensor_msgs/LaserScan 标准 标准 ✅ 高 sensor_msgs/PointCloud2 标准 标准 ✅ 高 geometry_msgs/TwistStamped 标准 标准 ✅ 高 nav_msgs/Odometry 标准 标准 ✅ 高 custom_msgs/VehicleState 自定义v1 自定义v2 ❌ 需适配