ROS 기본 개념

ROS(Robot Operating System) 이란?

오픈 소스를 기반으로한 로봇 소프트웨어를 개발하기 위한 소프트웨어 프레임 워크

 

메타운영체제로, 일반적인 운영체제 위에서 동작하며, 여러 장치와 소프트웨어 간의 상호 작용을 관리하고 조율하는 시스템

-> 원하는 하드웨어의 운영체제에 ROS를 설치하여 이기종 디바이스 간의 통신 지원 가능

 

1. ROS의 특징

• 프로그램의 재사용성 : 개발할 부분만 개발하고, 다른 기능들은 필요한 패키지를 다운 받아 사용 및 공유 가능
• 통신 기반 프로그램 : 하나의 서비스를 위해 하드웨어 드라이버, 센싱, 인식, 동작 등을 각각의 프로세서 목적에 따라 나누고(노드화) 이 최소 실행 단위인 노드는 데이터를 플랫폼 상에서 주고 받음
• 개발 도구 지원 : 디버깅, GUI(rqt), 3차원 시각화 도구(Rviz) 지원
       -> 정해진 메세지 형식에 맞추기만 하면 사용 가능
• 로봇 생태계 구성 : 스마트폰의 하드웨어가 어떻게 구성되어 있는지 알지 못해도 많은 개발자들이 앱을 개발하듯이, 로봇 소프트웨어 플랫폼을 사용하여 로봇 하드웨어가 각각 달라도 코딩이 가능
• 이기종 하드웨어 간의 데이터 송수신 : 메세지 통신만 가능하다면 운영체제와 프로그래밍 언어와 상관없이 데이터 주고 받기 가능

2. ROS1과 ROS2 파일 시스템의 차이점

• Multiple workspace : Ros1에서는 catkin_ws와 같이 특정 workspace를 확보하고 하나의 workspace에서 모든 작업을 다했지만, Ros2에서는 복수의 독립된 workspace를 사용할 수 있어서 작업 목적 및 패키지 종류별로 관리 가능
• No devel space : Ros1에서는 catkin은 패키지를 빌드한 후 devel이라는 폴더에 코드를 저장하여 패키지를 설치할 필요없이 패키지를 사용할 수 있는 환경을 제공했다. 편리한 기능이지만 패키지를 관리하는 측면에서 복잡성이 증가했다. Ros2에서는 패키지를 빌드한 후 설치해야 패키지를 사용할 수 있도록 바뀌었다.

=> 파일 구조의 차이

• 클라이언트 라이브러리 : 다양한 프로그래밍 언어를 지원하는 소프트웨어 모듈, 각각의 다른 언어를 작성할 수 있고, 노드 간의 통신을 위해 정보를 교환하기 위해 사용 (ex. roscpp, rospy, roslibjs)
• 로보틱스 어플리케이션 프레임워크 : 로보틱스 응용 프로그래밍용 (ex. tf, robot, localization)
• 로보틱스 어플리케이션 : 위 프레임워크를 기반으로 한 서비스용 응용 프로그래밍 (ex. navigation, MoveIt!)
• 커뮤니케이션 레이어 : 데이터 통신 (ex. rosnode, roslaunch, rostopic, rosbag, rosmaster 등)
• 하드웨어 인터페이스 레이어 (ex. 카메라, 드라이버, GPS/IMU 드라이버, rosserial)
• 소프트웨어 개발 도구 (ex. Rvi, rqt, rospack, catkin, rosdep)
• 시뮬레이션 (ex. gazebo, ros pkgs, state ros)

3. ROS 기본 용어

<마스터(master)>

• 노드와 노드 사이의 연결/ 메세지 통신을 위한 네임 서버와 같은 역할
• roscore가 마스터 실행 명령
• 마스터를 실행하면 각 노드들이 이름을 등록하고 필요에 따라 정보를 받을 수 있으며 마스터가 없으면 노드 간 접속, 토픽과 서비스와 같은 메세지 통신을 할 수 없다.
• XMLRPC를 통하여 슬레이브들과 통신을 하며 노드들이 필요할 때만 접속하여 자신의 정보를 등록하거나 다른 노드들의 정보를 요청하여 수신(응답)받을 수 있다.

<노드(Node)>

•  실행 가능한 최소 단위 프로세서, 각각의 코드가 돌아가는 최소 단위

-> 하나의 로봇을 작동하는데 여러개의 노드가 작게 세분화되어 운영되며, 하나의 목적에 하나의 노드를 사용

-> 모든 센서 값 데이터들을 노드로 만들어야함

-> ROS 노드는 roscpp,rospy와 같은 ROS 클라이언트 라이브러리를 사용하여 작성

 

<패키지(Package)>

• 하나 이상의 노드, 노드 실행을 위한 정보 등을 묶어 놓은 것

-> ROS의 응용프로그램은 패키지 단위로 개발되고 관리(ROS 소프트웨어 구성 단위)

-> 각 패키지는 package.xml이라는 패키지의 정보(패키지 이름, 라이센스, 의존성 패키지)를 닮은 XML 파일 포함

-> 패키지의 묶음을 "메타 패키지"라 하여 따로 분리한다.

 

<메타패키지(MetaPackage)>

• 공통된 목적을 지닌 패키지들을 모아둔 패키지들의 집합 단위

<매개변수(parameter)>

• 노드에서 사용되는 미리 지정되거나 할당할 수 있는 어떠한 값

-> 보통 소스코드에서 할당이 가능하며, 따로 파일을 빼두어 값들을 모아두거나 쉽게 조정할 수 있다.

ex) 센서 초기 설정 파일인 yaml 파일 과 같은 경우 => ydlidar.yaml

 

<메세지(message)>

• 노드가 데이터를 주고 받을 때 사용하는 데이터 형태

-> integer, floating point, boolean 과 같은 변수 형태 같은 정의된 자료형

-> 그외에도 C언어에서의 구조체와 비슷한 느낌으로 노드끼리 주고 받을 메세지 데이터 타입을 사용자가 정의 가능하다.  

   ->CMakeList.txt와 package.xml 파일을 수정해 주어야 사용자 정의 메세지 타입을 만들 수 있다.

<Manifest(package.xml)>

• 패키지를 설명하는 파일
• 패키지 간의 종속성을 정의하고, 버전, 관리자, 라이센스 등과 같은 패키지에 대한 메타 정보를 저장한다.

<CMakeList.txt>

• cmake 빌드 시스템에 기반을 둔 catkin 빌드 시스템에 대한 내용이 담긴 파일

->CMake(Cross Platform Make) 기본적으로 이용, 패키지 폴더에 CMakeList.txt 라는 파일에 빌드 환경 기술

 

<Catkin과 ament>

• ROS에서 사용하는 빌드 시스템

-> 이 빌드 시스템은 ROS와 관련된 빌드, 패키지 관리, 패키지 간의 의존관계 등을 편리하게 사용할 수 있도록 한다.

-> ROS1 에서는 Catkin을 사용 

-> ROS2 에서는 ament를 사용 그러나 ROS1에서 Catkin으로 사용했던 것들이 ROS2에서 호환되는 것들도 존재한다.

 

<bag>

• ROS에서 주고받는 메세지 데이터를 저장하는 파일 포맷으로 'bag' 확장자를 가진다.
• ***시간을 발행하는 역할로 사용하기도 한다.****

-> 이 기능을 통해 화면 녹화 혹은 음성 녹음처럼 이전 상황을 재현할 수 있다.

-> 글쓴이의 경우 로봇을 시뮬레이션할때는  gazebo와 같은 경우 자신의 clock을 가지고 있어서 시간 충돌이 일어나지 않으나 

실제로 로봇을 만들어서 mapping을 할때는 clock이 없어서 rosbag을 통해서 녹음한 후 그것을 mapping 시에 실행 시켜 과거 시간과 현재 시간의 충돌로 인한 TF 충돌 등과 같은 문제를 해결했었다.

           -> 그 외의 경우는 시스템으로 부터 clock을 불러와서 사용해야한다.

 

 

<RPC> => 통신 개념

• Remote Procedure Call(원격 프로시저 호출)의 약자
• 별도의 원격 제어를 위한 코딩 없이 다른 주소 공간에서 함수나 프로시저를 실행 할 수 있게 하는 프로세스 간 통신 기술

<XMLRPC> => 마스터 구동

• ROS launch file에서 yaml file을 load해주는 편리한 도구
• 상대적으로 가볍고, 다양한 프로그래밍 언어에서 폭 넓게 사용 가능
• HTTP 기반 프로토콜