ROS 2

ROS란?

ROS란?

• ROS is an open-source, meta-operating system for your robot.
  • 메타 운영체제 (meta-OS): 독립된 OS X, OS위에 설치되어 OS에서 제공하는 것들을 사용 (파일 시스템, process 관리 시스템 등) + 로봇 응용 프로그램에 필요한 필수 기능을 라이브러리 형태로 제공
  • 미들웨어, 소프트웨어 프레임워크
  • 사용자들이 개발한 패키지를 유통하는 생태계를 갖고 있음
  • 기존의 전통적인 OS를 이용하면서, 로봇 App 개발에 필수인 로봇과 센서를 HW 추상화 개념으로 제어하고, 사용자의 로봇 App 개발을 위한 지원 시스템이자 도구

ROS의 목적

• "로보틱스 SW 개발을 전 세계레벨에서 공동 작업이 가능하도록 환경을 구축하는 것"
• 연구 및 개발에서의 코드 재사용

ROS의 구성

• 400여 개의 ROS 2 공통 패키지 (Common Packages)로 구성 - Simulation, Robotics Application Framework, Software Development Tool 등..

ROS 2의 특징

Platforms

• Linux, window, macOS 모두 지원

Real-time

• 실시간성 지원 - 선별된 HW, Real time supportive OS, RTPS 프로토콜 등을 전제조건으로 할 때

Security

• 기존: TCPROS는 노드를 관리하는 ROS master의 IP, PORT만 노출되면 모든 시스템 다운가능
• TCP기반 통신 -> DDS(Data Distribution System) 도입

Communication

• RTPS를 지원하는 통신 미들웨어 DDS 사용
  • 노드 간 자동 감지 기능 - ROS Master 없이도 통신 가능

Middleware interface

• RMW

Node manager (Discovery)

• ROS Master 사라짐 -> Dynamic discovery 이용해 DDS 미들웨어를 통해 노드를 직접 검색하여 연결

Languages

• Python, C++

Build system

• ament

DDS

DDS (Data Distribution System)

• DDS 사양을 만족하는 미들웨어 API, 데이터 통신을 위한 미들웨어
• OS와 App 사이에 있는 소프트웨어 계층
• UDP: UDP 멀티캐스트 통신이기 때문에 별도의 설정을 하지 않으면 동일 네트워크 상의 모든 노드가 연결됨 -> ROS_DOMAIN_ID 환경변수를 설정해서 도메인 변경 가능
• Data Centric
• Dynamic Discovery (동적 검색) - 어떤 토픽이 지정 도메인 영역에 있으며 어떤 노드가 이를 발신하고 수신하는 지 알 수 있음. -> 노드를 DDS의 Participant로 취급

QoS of DDS

Reliability

• 신뢰성 옵션
• BEST_EFFORT: 네트워크 상태에 따라 유실 발생 가능 - publisher가 BEST_EFFORT면 subscriber도 동일
• RELIABLE: 데이터 유실 발생 시 재전송을 통해 수신 보장

History

• 데이터를 몇 개나 보관할 지 결정
• KEEP_LAST: 정해진 메시지 큐 크기만큼의 데이터 보관 (depth = 메시지 큐의 크기)
• KEEP_ALL: 모든 데이터 보관 (메시지 큐 크기는 DDS 벤더마다 다름)

Durability

• subscriber 생성 전의 데이터를 사용할 것인지
• TRANSIENT_LOCAL: 생성 전 데이터도 보관 (publisher만 적용가능)
• VOLATILE: 생성 전 데이터 무효

Deadline

• 정해진 주기 안에 데이터가 발신/수신 되지 않을 경우 EventCallback 실행
• deadline_duration

Lifespan

• 정해진 주기 안에 수신되는 데이터만 유효 else 삭제
• lifespan_duration

Liveliness

• 정해진 주기 안에서 노드 혹은 토픽의 생사 확인
• liveliness: AUTOMATIC, MANUAL_BY_NODE, MANUAL_BY_TOPIC
• lease_duration

rmw_qos_profile

• 많이사용하는 QoS 설정을 세트로 표현한 것

• 사용자가 직접 커스텀해서 만들수도 있음

패키지와 노드

• Node: 최소 단위의 실행 가능한 프로세스, ROS에서는 보통 노드 단위로 작업
• Package: 하나 이상의 노드 또는 노드 실행을 위한 정보를 묶어 놓은 것
• Metapackage: 패키지의 묶음

ros2 pkg list # 설치된 패키지 및 본인이 작성한 패키지 목록
ros2 executables <패키지명> # 패키지에 포함되어 있는 노드 목록
ros2 node list
ros2 topic list
ros2 service list
ros2 action list

노드와 메시지 통신

• 노드 간에 입출력 데이터를 주고받음 -> Message
  • Integer, Floating point, Boolean, String 과 같은 데이터 형태, 데이터 구조 또는 배열로도 사용 가능
• 메시지를 주고 받는 방법에 따라 Topic, Service, Action, Parameter

토픽 Topic

• 비동기성, 연속성
• 비동기식 단방향 메시지 송수신 방식 : Publisher - Subscriber

ros2 topic info /turtle1/cmd_vel # 토픽 정보
ros2 topic echo <토픽이름> # 토픽 메시지 내용 실시간 표시
ros2 topic pub <topic_name> <msg_type> "<args>" --once

rosbag

• 퍼블리시되는 토픽을 파일형태로 저장하고 필요할때 저장된 토픽을 불러와 동일한 주기로 재생할 수 있는 기능

ros2 bag record <topic_name1> <topic_name2..>
ros2 bag info <rosbag_name>
ros2 bag play <rosbag_name>

서비스 Service

• 동기식 양방향 메시지 송수신 방식
• Service Client - Service Server = N : 1 / Service Request - Service Response
• srv 인터페이스

액션 Action

• 비동기식/동기식 양방향 메시지 송수신 방식
• Goal을 지정하는 Action Client - Feedback, Result를 전송하는 Action Server
• 토픽과 서비스의 혼합
• Client = Service Client 3 + Topic Subscriber 2
• action 인터페이스

파라미터

• 노드 내/외부에서 노드 내 매개변수를 Set/Get 할 수 있음
• 모든 노드가 자기만의 Parameter server/ client 가짐 -> 각 노드의 매개변수를 글로벌 매개변수처럼 사용 가능

인터페이스

• 노드 간에 데이터를 주고받기 위해 토픽, 서비스, 액션을 이용하는데 이때 사용되는 데이터 형태(type)를 Interface라고 함
• 토픽 == msg / 서비스 = srv / 액션 = action
• 단순 자료형을 기본으로 함;

토픽: msg

float64 x
float64 y

서비스: srv

float32 x # Request
float32 y
string name
---
string name # Response

액션: action

float32 theta # 목표
---
float32 delta # 결과
---
float32 remaining # 피드백

ROS 2의 표준 단위

표준 단위

SI derived unit

물리량	단위 (SI unit)	물리량	단위량 (SI unit)
length (길이)	meter (m)	angle (평면각)	radian (rad)
mass (질량)	kilogram (kg)	frequency (주파수)	hertz (Hz)
time (시간)	second (s)	force (힘)	newton (N)
current (전류)	ampere (A)	power (일률)	watt (W)
temperature (온도)	celsius (°C)	voltage (전압)	volt (V)
magnetism (자기장)	tesla

좌표 표현

• x forward, y left, z up
• 정회전 방향 == 반시계 방향

시계와 시간

• 로봇의 다양한 센서 간 시간 동기화 중요 -> 퍼블리시되는 토픽에 해당 토픽이 퍼블리시되는 시간 포함: std_msgs/msg/header
• ROS 2에서 사용하는 기본 시계는 System Clock = UTC로 표시됨
• ROS Time: use_sim_time := True -> /clock 토픽을 subscribe할 때까지 시간을 0으로 초기화
• Time API 예제

ROS 2 프로그래밍

Setup Script

• 새로운 패키지를 빌드하면 설정 스크립트를 실행해야 한다

• local_setup.bash: 위치한 경로의 모든 패키지에 대한 환경 설정
• setup.bash: 현재 작업 공간이 빌드될 때 환경에 필요한 다른 모든 작업 공간에 대한 local_setup.bash 스크립트 포함. underlay 개발환경의 설정 정보까지 포함
• overlay: 개발자가 사용하는 워크스페이스
• underlay: 소스코드를 내려받아 빌드해서 설치할때 생기는 워크스페이스
• underlay 개발환경의 setup.bash를 우선 소싱한 후 overlay 환경의 local_setup.bash를 소싱하는 게 정석

  source /opt/ros/foxy/setup.bash
  source ~/robot_ws/install/local_setup.bash

ROS 공식 예제