[ROS] ROS란 무엇인가? (Robotics)

ROS란?

배포 가능하고, 모듈형 디자인 로봇 소프트웨어를 위한 미들웨어. 기본적으로 하드웨어를 구동하는 OS(예: ubuntu)를 설치한 후 apt등의 패키징 툴을 이용하여 바이너리를 설치한다.

ROS = Plumbing + Tools + Capabilities + Ecosystem

• Plumbing: publish-subscribe messaging infrastructure design을 제공하여 배포 가능한 모듈형 시스템을 빠르고 간편하게 구현 가능하게 함
• Tools: 실행, 중단, 관측, 디버깅, 로깅, 테스팅, 비주얼라이징 가능한 기본 도구를 제공
• Capabilities: 로봇 개발에 필요한 다양한 libraries를 제공
• Ecosystem: 개발 부터 integration과 documentation에 강한 중점을 두고있어 전 세계, 거대한 커뮤니티에 의해 생태계가 형성될 수 있고 그로 인해 코드 재사용성이 높아지고 로봇 개발자들의 빠른 발전을 기대할 수 있음 → 배포 가능하고 모듈형 디자인을 추구했기 때문!

 

ROS의 기본 기능

• 프로그램 간 통신을 매우 간편하게 설정 가능 (TCP/IP 등의 통신 소켓 관리가 필요 없이 추상적인 개념으로 구현 가능)
• 하드웨어 드라이버 패키지 (Camera, LIDAR, Dynamixel 등 다양한 하드웨어 인터페이스 존재)
• 다양한 필수 + 유용한 라이브러리 포함 (OpenCV 영상처리 라이브러리, Eigen 선형대수 라이브러리 등)
• 모니터링 / 디버깅 도구

 

ROS의 한계

• 상업용 제품이 아닌 Open-source기 때문에 문제가 발생했을 경우 사용자가 직접 유지보수 하거나 커뮤니티의 도움을 받아야 함
• Real-time programming 문제 존재 (ROS 1.0: ros_control + PREEMPT_RT / ROS 2.0: 통신 시스템 (DDS) real-time safe화, nodelet 활성화)
• 프로젝트를 위한 초기 구성의 시간이 오래 걸림

 

ROS1과 ROS2의 차이

1. 멀티 플랫폼에서 호환 가능 (Ubuntu, Mac OS, Windows) → ROS1에서도 WinROS와 같은 방법을 활용해서 사용이 가능하긴 하지만 ROS2에서는 정식으로 배포되어 다양한 Window용 패키지들이 배포되고 있음
2. Real-time 정식 제공 → ROS1의 통신 방식이 TCP방식에서 Data Distribution Service(DDS) 방식으로 바뀌게 되면서 Real Time Publish Subscribe (RTPS) 와 같이 Real-time이 제공되는 publisher를 정식으로 지원한다.
3. 보안 이슈 해결 → ROS1.0의 경우에는 ros master의 IP가 노출되면 동일 네트워크 상 다른 사용자에 의해 쉽게 해킹당할 수 있었다. 하지만 ROS2.0에서 DDS기반 통신 프로토콜을 통해 보안 이슈를 통신단에서부터 해결됨
4. Node들이 독립적으로 통신 수행 → Node들을 중재해주는 Roscore가 없어짐. ROS Master의 연결이 끊기면 시스템이 마비되는 단점을 방지
5. 하나의 프로세서도 여러 노드 실행 가능 → 하드웨어 리소스를 효율적으로 사용 가능
6. Cmake를 사용하지 않는 패키지 작성 가능
7. 패키지를 개별적으로 빌드 가능 → 모든 패키지를 동시에 빌드하게 되는 ROS1에 비해 패키지의 종속성의 중요성이 낮아지게 됨

 

ROS의 구조

• Nodes : ROS 통신을 이용하는 실행 가능한 노드
• Messages: Publish, subscribe 되는 ROS 데이터 형식
• Service: Server와 Client로 사이에 전달되는 ROS 데이터 형식
• Topics: 같은 topic을 통해 publisher와 subscriber가 이어짐
• Actions: Topic과 Service가 혼합된 형태
• Master: 노드끼리 서로를 찾을 수 있도록 도움 (Topic 관리 등)
• rosout: ROS상의 stdout/stderr
• roscore: Master + rosout + parameter server

 

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ROS는 다수의 프로그램을 연결/사용하기 위한 통신 구조를 추상화하여 사용하기 간편하게 돕는다.

Publisher → Subscriber 단방향 데이터 통신 방식

 

A, B 두 노드가 하나의 Topic으로 통신한다고 가정할 때, 예를 들어 다음과 같은 순서로 통신을 수행한다.

 

▪ 메시지 발행/구독

1. A 노드(Publisher)는 Master에게 발행할 Topic 이름을 알린다.
2. B 노드(Subscriber)는 Master에게 구독할 Topic 이름을 알린다.
3. Master는 구독할 Topic 이름이 발행 중인지 확인한다.
4. 발행 중이면 발행자(Publisher, A)와 구독자(Subscriber, B)를 연결한다.
5. 발행자(Publisher, A)가 메시지를 발행하면 Master의 통과 없이 구독자(Subscriber, B)에게 바로 메시지가 전송된다.
6. 메시지가 구독자(Subscriber, B)에게 도착하면 callback 함수가 호출된다.

▪ 서비스 요청/응답

1. 클라이언트 노드(Subscriber, B)가 서버 노드(Publisher, A)에게 서비스를 요청한다.
2. 서버 노드(Publisher, A)는 클라이언트 노드(Subscriber, B)의 요청을 받고 처리하여 응답한다.
3. 클라이언트 노드(Subscriber, B)는 서버 노드(Publisher, A)의 응답을 수신한다.

▪ 서비스/메시지 혼합 형태인 Action

1. 클라이언트 노드(Subscriber, B)가 서버 노드(Publisher, A)에게 "로봇 팔이 목표 경로를 따라가도록 하라"고 요청한다.
2. 서버 노드(Publisher, A)는 클라이언트 노드(Subscriber, B)의 요청을 받고 처리한다.
3. 서버 노드(Publisher, A)는 요청 처리를 완료했다면 클라이언트 노드(Subscriber, B)에게 응답한다.
4. 클라이언트 노드(Subscriber, B)는 서버 노드(Publisher, A)의 응답을 수신한다. → 동작의 실패/성공 여부 확인

 

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ROS Actionlib

클라이언트가 Goal을 보내면 서버가 Goal을 수신 받고 작동을 시작한다. 작동 중에는 현재 진행 정도를 Feedback하여 클라이언트에서 알 수 있도록 하고, 작업 완료시 Result를 클라이언트에게 전송한다. (Success/Fail) 클라이언트는 Result를 수신하여 다음 일을 수행할 수 있다.

• Goal: 클라이언트 노드가 서버 노드에게 전송하는 목표 정보
• Feedback: 서버 노드가 클라이언트 노드에게 현재 실행중인 정보를 feedback
• Result: 서버 노드가 작업을 완료하거나 중단했을 때, result를 respond함

1. (Client) Goal 전송 함수 호출
2. (Server) Goal 을 실행하는 Callback 함수 호출
3. (Server) Feedback 전송 함수 호출
4. (Client) Feedback Callback 함수 호출
5. (Server) action 완료 후 result 전송 함수 호출
6. (Client) Result Callback 함수 호출

 

ROS File System

• /opt/ros/{version}: ROS의 기본 설치 위치 (이하의 version은 melodic으로 가정)
• /opt/ros/melodic/share/: ROS 패키지들이 설치되는 위치 (roscd {package-name} 으로 접근 가능)
• ~/.ros/log/ : ROS 실행 log들이 모여 있는 곳 (roscd log로도 접근 가능)

rospack # ros + pack(age): 패키지의 정보를 제공하는 도구
roscd # ros + cd: 패키지의 이름만으로 cd 처럼 폴더를 이동할 수 있음
rosls # ros + ls: 사용자가 지정한 패키지나 스택, 또는 일반적인 경로에 대해 바로 ls를 실행하는 것과 같은 결과를 보여줌

 

 

ROS Workspace

Package들을 작성하기 위한 공간으로, {workspace_name}/src/ 경로 아래에 패키지들을 놓아 사용한다. Workspace 설정 시, {workspace_name}/devel/setup.bash 를 실행시켜 주어야 한다. (catkin_make 명령어를 통해 자동으로 생성되는 스크립트 파일)

$ mkdir –p ~/catkin_ws/src # workspace 폴더 생성
$ cd ~/catkin_ws # workspace 로 이동
$ catkin_make # 초기 catkin_make 실행 (devel 과 build 폴더가 생성됨)

이후 ~/.bashrc에 source ~/catkin_ws/devel/setup.bash 를 추가하고, source ~/.bashrc 명령을 실행한다. (해당 command를 입력해야 변경된 설정이 반영됨)

# ROS environment setup
source /opt/ros/melodic/setup.bash
# User ROS workspace environment setup
# source {workspace_directory}/devel/setup.bash
source ~/catkin_ws/devel/setup.bash

# Alias
alias sb='source ~/.bashrc'
alias sb='source ~/.bashrc'
alias cw='cd ~/catkin_ws'
alias cs='cd ~/catkin_ws/src'
alias cm='cd ~/catkin_ws && catkin_make'

 

 

ROS Package

ROS에서 사용되는 Software는 package라는 곳에 정리되어 있다. Package에는 node(실행 프로그램), ROS-independent library, Dataset, Configuration files, Third-party software가 포함될 수 있다.

• CMakeLists.txt: ROS는 CMake 빌드 구조를 사용하므로, CMake를 위해 작성한다.
• package.xml: 추가적으로 package 정보를 설명하는 파일 (ROS Package 정보 파일)
• include/: C++ 헤더 파일
• src/: C++ 소스 파일
• scripts/ : Python 스크립트
• msg/: Message (msg) 타입 정의

 

ROS 패키지를 만든다면 CMake build 형태를 가져야 하며 src 폴더 안에는 toplevel의 CMakeLists.txt가 존재한다. 각각의 디렉토리를 모두 add_subdirectory하여 모든 패키지가 빌드될 수 있도록 해야 한다.

# ~/catkin_ws/src로 이동
$ cd ~/catkin_ws/src
# <package_name>이라는 패키지 생성
$ catkin_create_pkg <package_name> [depend 1] … [depend n]
# beginner_tutorials 패키지를
# roscpp, rospy, std_msgs의 depend를 가지고 생성
$ catkin_create_pkg beginner_tutorials roscpp rospy std_msgs

catkin_create_pkg 명령을 통해 package를 만들 수 있다.

 

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ROS Commands

▪ roscore: ROS Master와 Parameter 서버, rosout 노드를 실행시켜주는 도구로 ROS 명령어를 실행하기 전 반드시 먼저 실행해야 한다. ex; rosrun 실행 전 roscore 먼저 켜둘 것

 

▪ rosrun: ROS 패키지 내부의 노드를 실행시켜주는 도구 $ rosrun {패키지명} {노드명}

• 하나의 명령어로 하나의 노드만 실행 가능
• 간단한 알고리즘 테스트용으로 주로 사용
• 자동완성으로 명령어를 빠르게 입력 가능
• roscore가 동작하고 있지 않으면 실행되지 않음

 

▪ roslaunch: 다수의 ROS 노드를 일괄적으로 실행시켜주는 도구 $ roslaunch {패키지명} {launch파일명}

• ROS에서 가장 많이 사용하는 명령어 중 하나
• 하나의 명령어로 여러 개의 노드를 일괄적으로 실행 가능
• launch 파일은 XML 문법 구조로 되어있으며 다양한 노드의 실행 옵션을 설정 가능
• roscore가 실행되어 있지 않으면 자체적으로 roscore를 실행시킴

 

▪ roscd: 해당 ROS 패키지의 디렉토리로 이동하는 도구 $ roscd {패키지명}

• ROS Master에 등록된 패키지들 중 해당 패키지의 디렉토리로 이동하는 도구
• 디렉토리의 위치를 외울 필요 없이 간단하게 명령어를 통해 이동 가능

 

▪ rostopic: ROS 메시지에 관한 조작 및 관측을 가능하게 하는 도구

• topic의 데이터를 출력하거나 전송할 때 사용하는 도구
• 주로 디버깅용으로 사용하거나 간단한 테스트를 할 때 사용

• $ rostopic list: topic들의 목록을 출력하는 명령어
• $ rostopic echo {토픽명}: {토픽명}의 데이터를 출력하는 명령어
• $ rostopic pub {토픽명} {자료형} {값}: {토픽명}에 데이터를 전송하는 명령어
• $ rostopic info {토픽명}: {토픽명}의 상세 정보를 출력하는 명령어
• $ rostopic hz {토픽명}: {토픽명}의 Publish 주기(hz)를 출력하는 명령어

 

▪ rosnode: ROS node들을 관리할 수 있게 해주는 도구

• 특정 노드의 상세 정보를 확인하거나 데이터 요청 등을 할 수 있는 명령어
• 강제로 노드를 kill 할 때 주로 사용
• rostopic, rosservice와 마찬가지로 다양한 옵션들이 존재

• $ rosnode list: node들의 목록을 출력하는 명령어
• $ rosnode info {노드명}: {노드명}의 상세 정보를 출력하는 명령어
• $ rosnode kill {노드명}: {노드명}을 종료하는 명령어

 

▪ rosservice: ROS 서비스에 관한 조작 및 관측을 가능하게 하는 도구

• $ rosservice list: service들의 목록을 출력하는 명령어
• $ rosservice info {서비스명}: {서비스명}의 상세 정보를 출력하는 명령어
• $ rosservice find {서비스타입}: {서비스타입}을 입력으로 받는 서비스를 찾는 명령어
• $ rosservice call {서비스명}: {서비스명}이 제공하는 기능을 요청하는 명령어

 

▪ rosparam: ROS Master의 parameter 서버를 관리할 수 있게 해주는 도구

• ROS 코드에서 사용 가능한 전역 변수 목록인 파라미터 서버를 관리하는 명령어
• 프로그램의 실행 흐름을 외부에서 제어할 수 있는 장점이 있음
• roscore를 실행하면 background에서 파라미터 서버가 같이 실행됨
• roscore가 재실행되는 경우 파라미터 서버는 초기화됨

• $ rosparam list: 파라미터 서버에 등록된 파라미터 목록을 출력하는 명령어
• $ rosparam set {파라미터명} {값}: 새로운 파라미터를 등록하는 명령어
• $ rosparam get {파라미터명}: 특정 파라미터의 값을 출력하는 명령어

 

▪ rosbag: ROS의 각종 데이터를 로깅해주는 도구

• ROS의 메시지 데이터를 저장하고 재생해주는 도구
• ROS 상에서 퍼블리시되는 모든 데이터를 저장할 수 있기 때문에 상당히 자주 사용
• 로봇의 센서데이터를 저장 및 재생할 때 주로 사용

• $ rosbag info {bag데이터명}: bag 데이터의 상세 정보를 출력하는 명령어
• $ rosbag record {옵션} {파일명} {토픽명}: ROS 토픽 데이터를 저장할 때 사용하는 명령어
• $ rosbag play {bag데이터명}: bag 데이터를 실행하는 명령어