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ロボットシステム学2018第11回

上田 隆一

2018年12月7日@千葉工業大学

今日の内容

  • 課題1の説明
  • ROS

課題1（12/31まで）

  • 講義で作ったデバイスドライバをカスタマイズして
    1. GitHubにプッシュ
    • ライセンス、何をやったか分かるREADMEを書く
    1. Youtube等、パブリックで見られるところにデモをアップ
    • これも何をやっているか説明を書く
    1. 私まで電子メール
    • 件名: ロボットシステム学 課題1 学籍番号 名前
    • 内容、普通に他人に出すような電子メールで、上記GitHubとビデオのURLを貼る
      • 「普通」は任せますが、あんまり失礼だと匿名を保った上でTwitterで嘆きます。

RaspbianでもUbuntuでも構いません。

ROS: robot operating system

  • ロボットのソフトウェアコンポーネントを作って 動作させるためのフレームワーク/ミドルウェア
    • OSでは無い
  • 発祥: 2000年代後半、Willow Garage社
  • BSDライセンス
  • Linux（Ubuntu）上での動作がデフォルト
  • サイト

どんなものか

  • 本体: プロセス間通信をつかさどる
    • プロセス同士をpublish-subscribeモデルやサービスでつなぐ
    • XML-RPC等を利用
    • 通信するデータに型
  • 周辺
    • ビルドシステム、パッケージ管理、テストツール、・・・

と書いてもよくわからんのでこちらで動かしてみます

デモ

  • カメラの画像をブラウザから見る
  • 手順
    • 1: ROS・ワークスペースのセットアップ（来週）
    • 2: 必要なパッケージのダウンロードとビルド 
      $ sudo apt install ros-kinetic-cv-camera
$ sudo apt install ros-kinetic-cv-bridge
$ cd ~/catkin_ws/src
$ git clone git@github.com:RobotWebTools/mjpeg_server.git
$ cd ..
$ catkin_make
    • 3: 見る 
      $ roscore &
$ rosrun cv_camera cv_camera_node &
$ rosrun mjpeg_server mjpeg_server
ブラウザでhttp://<IPアドレス>:8080/stream?topic=/cv_camera/image_raw

さらに便利に使う

  • ROS化されているキラーコンテンツ
    • slam_gmapping, ナビゲーションメタパッケージ
      • 地図生成（次のページにデモ）、位置推定、経路生成
    • MoveIt!
      • 腕の動作計画 腕先の位置を入力→関節角を計算（逆運動学）
    • その他、様々なハード・ソフトがROS化

ROSを使ったSLAMの様子

  • https://www.youtube.com/embed/b2kYQ11PUSI"
    • ポイント: SLAMのコードは書いてない
      • aptでSLAM（Gmapping）のコードが入る
      • デッドレコニングのコードをちょっと書いただけ

ROSを使ったナビゲーションの様子

  • https://youtu.be/RpPcmyXOcr4
    • SLAMをした後のナビゲーション
      • 自己位置推定、障害物回避、...
      • 足回りもROSのパッケージ化

ROSのインストール

動作確認

  • roscore
    • ROSの基盤となるプログラムが立ち上がる
    • Ctrl+cで出る
$ roscore
（略）
started roslaunch server http://localhost:39310/
ros_comm version 1.12.6

SUMMARY
========

PARAMETERS
* /rosdistro: kinetic
* /rosversion: 1.12.6

NODES

auto-starting new master
process[master]: started with pid [1439]
ROS_MASTER_URI=http://localhost:11311/

setting /run_id to b749a100-d0dc-11e5-a506-b827eb17cb96
process[rosout-1]: started with pid [1452]
started core service [/rosout]

ROSのノード

  • プログラムのプロセス一つ一つが「ノード」と呼ばれる

  • ノードの例

    • cv_cameraとmjpeg_serverを立ち上げる（roscoreは立ち上げておく）
    $ rosrun cv_camera cv_camera_node 
$ rosrun mjpeg_server mjpeg_server
    • ノードの確認
    $ rosnode list
/cv_camera
/mjpeg_server
/rosout

  • ディレクトリのように管理されている

トピック・メッセージ

  • 今度はrostopic listと打ってみる

    • データをやり取りする口（トピック）が表示される
    $ rostopic list
/cv_camera/camera_info
/cv_camera/image_raw
/rosout
/rosout_agg

    • トピックからデータを取り出す（先ほどもやりました）

      $ rostopic echo /cv_camera/image_raw
      • このデータは「メッセージ」と呼ばれる

パブリッシャ・サブスクライバ

  • 各ノードがトピックを通じてメッセージを融通することで全体として仕事を行う
  • mjpeg_serverは/cv_camera/image_rawからカメラ画像を取得して、ブラウザに画像を配信
  • データを出す側がパブリッシャ
  • データを受け取る側がサブスクライバ
  • この構造でサブスクライバ側の柔軟な組み換えが可能に
    • ブラウザに配信するノード、顔検出をするノード、mp4に変換するノード・・・

ROSプログラミングの準備

  • パブリッシャ、サブスクライバを作ってみましょう

  • その前に・・・

    • 「ワークスペース」（作業場）を作る
    • 講義で使うイメージでは作成済み

  • 手順

$ cd
$ mkdir -p catkin_ws/src
$ cd ~/catkin_ws/src
$ catkin_init_workspace 
Creating symlink "/home/ubuntu/catkin_ws/src/CMakeLists.txt" pointing to "/opt/ros/kinetic/share/catkin/cmake/toplevel.cmake"
$ ls
CMakeLists.txt
  • .bashrcの末尾に以下を記述
source /opt/ros/kinetic/setup.bash          #これは元からある
source ~/catkin_ws/devel/setup.bash         #ここから3行追加
export ROS_MASTER_URI=http://localhost:11311
export ROS_HOSTNAME=localhost
  • 環境のビルド
$ cd ~/catkin_ws
$ catkin_make
$ source ~/.bashrc
  • 確認
    • ROS_PACKAGE_PATHにcatkin_ws/srcがセットされているはず
$ echo $ROS_PACKAGE_PATH
/home/ubuntu/catkin_ws/src:/opt/ros/kinetic/share

パッケージを作る

  • パッケージ: いくつかのノードを含んだ一単位
  • パッケージの生成
    • catkin_create_pkg <作るパッケージの名前> [使用するライブラリ...]
    • rospy: Pythonでノードを作るときに使用
    • パッケージを作ったら下にscriptsというディレクトリを作成
      • ここにノードとなるプログラムを置く
$ cd ~/catkin_ws/src
$ catkin_create_pkg mypkg rospy
 Created file mypkg/package.xml
 Created file mypkg/CMakeLists.txt
 Created folder mypkg/src
 Successfully created files in /home/ubuntu/catkin_ws/src/mypkg. Please adjust the values in package.xml.
$ cd mypkg/
$ mkdir scripts
$ cd scripts/

パブリッシャを作る

  • 次のようなプログラム（count.py）を書いてみましょう
  • ノード名が「count」、パブリッシャが「count_up」
  • rospy.Publisherを作って定期的にデータを投げる
    • count_upというトピックに、型はInt32で（バッファとなるキューのサイズは1）
#!/usr/bin/env python
import rospy
from std_msgs.msg import Int32

if __name__ == '__main__':
    rospy.init_node('count')
    pub = rospy.Publisher('count_up', Int32, queue_size=1)
    rate = rospy.Rate(10)
    n = 0
    while not rospy.is_shutdown():
        n += 1
        pub.publish(n)
        rate.sleep()

ノードの実行

注意: あらかじめroscoreを立ち上げておきましょう。

$ rosrun mypkg count.py
  • rosnode listとrostopic listでノードとトピックの確認を
  • 次にrostopic echoでcount_upからデータを取り出してみましょう
$ rostopic echo /count_up 
data: 1430
---
data: 1431
---
data: 1432
---
data: 1433
...

サブスクライバを作る

  • 次のようなtwice.pyを作る
  • rospy.Subscriberを使う
    • count_upという名前のトピックを購読する
    • 型はInt32
    • データを受け取ったときにcbという関数で処理
      • コールバック関数
#!/usr/bin/env python
import rospy
from std_msgs.msg import Int32

def cb(message):
    rospy.loginfo(message.data*2)

if __name__ == '__main__':
    rospy.init_node('twice')
    sub = rospy.Subscriber('count_up', Int32, cb)
    rospy.spin()

twice.pyの実行

  • roscore、rosrun mypkg count.pyを事前に実行しておく
  • 二倍になった数字が端末上に表示される
    • 非同期なので欠ける可能性があることに注意
    • 途中で切ってまた立ち上げても再開
$ rosrun mypkg twice.py
[INFO] [1484659840.762425]: 4
[INFO] [1484659840.862150]: 6
[INFO] [1484659840.961791]: 8
[INFO] [1484659841.062162]: 10
...

パブリッシャとサブスクライバの同居

  • twice.pyにパブリッシャを追加
#!/usr/bin/env python
import rospy
from std_msgs.msg import Int32

n = 0

def cb(message):
    global n
    n = message.data*2

if __name__ == '__main__': 
    rospy.init_node('twice')
    sub = rospy.Subscriber('count_up', Int32, cb) 
    pub = rospy.Publisher('twice', Int32, queue_size=1) 
    rate = rospy.Rate(10)
    while not rospy.is_shutdown():
        pub.publish(n)
        rate.sleep()

実行

  • ノードを立ち上げてrostopic echo /twiceでトピックとしてデータを得る
$ rostopic echo /twice
data: 1050
---
data: 1052
---
data: 1054
---
data: 1056
...

その他

  • 型
    • std_msgsで定義されているものの他にもたくさん
      • rosmsg listを打ってみましょう
    • 自分で定義することも可能
  • サービス
    • あるノードが他のノードのプログラムを実行
    • トピックと異なり、処理が終わるまでウェイトがかかる（同期処理）
  • actionlib
    • サービスと同じくノード間でプログラムを呼び出す仕組み
      • 中断したり途中経過をみたりすることが可能
      • 時間のかかる処理の実装に利用される
  • package.xml
    • パッケージの情報が書かれる
    • メンテナの名前、ライセンス、他のパッケージの依存関係等、配布に必要な情報
  • CMakeLists.txt
    • ビルド情報
    • 自分で型を作る、C++でノードを作る等、講義の内容より複雑なことをするときには手を入れる必要がある
  • 参考