見出し画像

Self Driving and ROS 2 - Learn by Doing! Map & Localization: ROS2 (セクション3-1/11)

Hafnium

  • ROS 2は、ロボット開発の効率を大幅に向上させるためのオープンソースのフレームワークであり、複数のロボットやリアルタイム制御に対応しています。

  • ROS 2の主な機能には、ハードウェア抽象化、プロセス間通信（トピック、サービス、アクション）、およびパッケージ管理が含まれます。

  • ワークスペースの設定方法やパッケージの作成手順を通じて、ROS 2環境での開発を効果的に行うための基礎を学びます。

ロボティクスの絶えず進化する世界では、ROS 2（ロボットオペレーティングシステム2）の詳細を理解することが非常に重要です。「Self Driving and ROS 2 - Learn by Doing! Map & Localization」のセクション3は、この強力なフレームワークの包括的な紹介を提供します。ここでは、このセクションの前半、レッスン14から23について詳しく見ていきます。

レッスン14：なぜロボットオペレーティングシステムが必要なのか？

ロボティクスは、人間に代わってタスクを実行できるインテリジェントシステムを作成するために、電子工学、機械工学、コンピュータサイエンスなどのさまざまな分野を統合する学際的な分野です。ロボットオペレーティングシステム（ROS）が必要とされる理由は、これらのシステムをゼロから開発することの複雑さにあります。初期のロボティクスの取り組みでは、特定のインターフェースを持つユニークなモジュールが開発されましたが、これらはしばしば互換性の問題や冗長性の問題を引き起こしました。

ROSは、この問題を解決するために標準化されたインターフェースを提供し、異なるモジュールがシームレスに相互作用できるようにしました。この革新は、2009年にWillow Garageによって初めてリリースされ、その後、2018年にはROS 2のリリースに至りました。ROS 2の主な利点は、さまざまなロボットシステムでソフトウェアコンポーネントを再利用できることにあり、開発の加速とイノベーションの促進を実現しています。

レッスン15：ROS 2とは何か？

ROS 2は、初代ROSの基盤を基にしており、いくつかの制限を解決し、その機能を拡張しています。ROS 2の主要な特徴の一つは、そのモジュール性であり、これによりコンポーネントのアップグレードや変更が容易になります。たとえば、人の追跡や追従といったシナリオでは、新しいセンサーやハードウェアを統合する際にコード全体を書き直す必要がありません。ハードウェア固有の詳細を抽象化することで、ROS 2は開発者が高レベルの機能の作成に集中できるようにします。

レッスン16：なぜ新しいロボットオペレーティングシステムが必要なのか？

ROSからROS 2への移行は、現代のロボティクスアプリケーションが直面する課題に対処するために行われました。2007年には有線ネットワークが一般的でしたが、今日のロボティクスシステムはしばしば無線接続に依存しており、これらは信頼性が低い場合があります。さらに、複数のロボットの管理、セキュアな通信、リアルタイム制御の需要も高まっています。ROS 2は、これらの課題に対して信頼性が高く、セキュアでスケーラブルなソリューションを提供します。

レッスン17：ROS 2のアーキテクチャ

ROS 2の中心にあるのはデータ分散サービス（DDS）ミドルウェアであり、ノード間の通信を容易にします。DDSは信頼性の高いメッセージ交換、ディスカバリー、シリアライゼーション、およびトランスポートを提供します。ROS 2は複数のDDS実装（Cyclone DDS、Fast DDS、Connext DDSなど）をサポートし、さまざまなアプリケーションに柔軟性を提供します。ROSミドルウェア（rmw）はDDSと連携し、通信を管理します。一方、ROSクライアントライブラリ（rcl）はロボティクスアプリケーションを開発するために必要な基本的な機能を提供します。ROS 2は、C++、Python、Javaなどの複数のプログラミング言語をサポートしています。

レッスン18：ハードウェアの抽象化

ROS 2の特徴の一つは、ハードウェアの抽象化機能です。PCのオペレーティングシステムと同様に、ROS 2はハードウェアの仕様の複雑さを抽象化し、センサーやモーターなどのコンポーネントの標準インターフェースを提供します。この抽象化により、開発者はハードウェアの詳細を気にせずにアプリケーションを作成できます。ROS 2はまた、ハードウェアドライバをサポートし、さまざまなデバイスとのシームレスな統合を可能にします。

レッスン19：低レベルデバイスの制御

ROS 2は、ロボティクスにおけるドライバの概念を拡張し、カメラやセンサーなどのデバイスをソフトウェアインターフェースを介して制御します。このアプローチは、オペレーティングシステムがプリンタなどの周辺機器を処理する方法と似ています。標準化されたドライバを提供することで、ROS 2は異なるハードウェアコンポーネントを容易に統合し、制御できるようにします。

レッスン20：プロセス間の通信

ノード間の通信は、ROS 2の基本的な側面です。主に3つの通信プロトコルがあります：

  1. トピック（パブリッシャー/サブスクライバー）：このプロトコルでは、ノードがトピックにメッセージを公開し、他のノードがそれを受信します。センサーデータの連続ストリームなどに最適です。

  2. サービス：サービスはリクエスト-レスポンス通信モデルを提供します。クライアントノードがサービスサーバーノードにリクエストを送り、サーバーがレスポンスを返します。積分計算など、即時のフィードバックが必要な操作に適しています。

  3. アクション：アクションは長時間実行されるタスクに適しています。アクションクライアントがアクションサーバーに目標を送り、サーバーがタスクを実行し、定期的にフィードバックを送ります。必要に応じて、クライアントはアクションをキャンセルすることもできます。

レッスン21：パッケージ管理

ROS 2のパッケージ管理は、コードを特定の機能に焦点を当てたパッケージに分割することです。このモジュラーアプローチにより、コードの再利用性、保守性、およびスケーラビリティが向上します。開発者はナビゲーションやマッピングなどの一般的な機能のために既存のパッケージを活用でき、新機能の開発に集中できます。

レッスン22：ROS 2アプリケーションのアーキテクチャ

典型的なROS 2アプリケーションは、2つのレイヤーに分かれています：

  1. アンダーレイ：Rviz、Gazebo、Nav2など、ROS 2が提供する標準パッケージが含まれます。

  2. オーバーレイ：特定のアプリケーション用に開発されたカスタムパッケージが含まれます。必要に応じて、オーバーレイはアンダーレイのパッケージを上書きすることができます。

この構造により、アプリケーションは標準機能とカスタム実装の両方にアクセスできます。

レッスン23：ワークスペースの作成とアクティベーション

ROS 2ワークスペースの作成には、ディレクトリ構造の設定と必要なファイルの初期化が含まれます。以下はステップバイステップのガイドです：

1.

ワークスペースディレクトリの作成

mkdir -p bumperbot_ws/src

2. ワークスペースのビルド

cd bumperbot_ws
colcon build

3. ROS 2パッケージの作成

cd src
ros2 pkg create --build-type ament_python bumperbot_py_examples
ros2 pkg create --build-type ament_cmake bumperbot_cpp_examples
cd ../
colcon build

4. ワークスペースのソース

cd install
. setup.bash
ros2 pkg list

これらの手順を踏むことで、ROS 2ワークスペースを設定し、パッケージを作成し、それらをROS 2環境に認識させることができます。

結論

「Self Driving and ROS 2 - Learn by Doing! Map & Localization」コースのセクション3の前半は、ROS 2を理解するための堅固な基盤を築きます。そのアーキテクチャやハードウェアの抽象化機能から通信プロトコルやパッケージ管理に至るまで、これらのレッスンは、ロボティクスプロジェクトでROS 2を効果的に活用するために必要な知識を提供します。続編では、自律走行ロボットの高度な機能を開発するための準備が整っています。

「超本当にドラゴン」へ

この記事が気に入ったらサポートをしてみませんか？