ROS2 | Notion

ROS란?
- Robot Operating System
  - 로봇 개발자들이 로봇을 개발하기 편하도록 만들어 놓은 프레임워크
    - 프레임워크 : 소프트웨어 개발을 위한 코드 구조 및 규칙 제공
    - 플랫폼 : 특정 목적의 소프트웨어 실행 환경
RO1과의 차이점
- OS : Windows도 지원
- Real-time : 실시간성(Real-time)지원 단 특정 하드웨어, 운영체제, 프로토콜 사용 시
  - 실시간 제어 : 특정 시간안에(Dead-lock) 반응을 하는 제어
- Security : DDS(Data Distribution Service)도입으로 DDS-Security 사용 가능 ROS1은 PORT와 IP번호만 알면 전체적인 시스템에 간섭할 수 있어서 보안 상으로 이슈가 있었음
- Communication : DDS, RTPS(Real Time Publish Subscribe)사용
  - DDS : 데이터 분산 서비스 Pub/Sub 구조
    - Pub/Sub : Producer-Consumer 구조를 발전시킨 구조
      - Publisher 와 Subscriber 존재 (1:N, N:N가능)
      - Publisher는 Topic에 Write하고 Port는 해당 Topic에 구독 중인 Subscriber에게 Broadcast하면 Subscriber는 Read함.
      - 즉 Producer → Publisher, Channel → Topic, Consumer → Subscriber
      - Publisher가 topic을 담고, subscriber가 topic을 받는 구조
  - QoS : Quality of Service → Publisher갸 해당 내용 담아서 topic을 만듬
    - ROS2의 송수신 메시지 성능을 조절하는 기능
      - reliability : RELIABLE(신뢰성 보장) / BEST_EFFORT(손실 가능)
      - durability : VOLATILE(메시지 저장 X) / TRANSIENT_LOCAL(최근 메시지 저장)
      - history : KEEP_LAST(n)(최근 n개 저장) / KEEP_ALL(모두 저장)
      - deadline : 메시지를 일정 주기 내에 받아야 하는 경우
      - lifespan : 메시지의 유효기간 설정
  - RTPS : DDS가 사용하는 프로토콜
- Middleware interface
  - DDS 사용
- Node Manager
  - roscore → 사라지고 독립적으로 사용
- Languages
  - C++14, 파이썬 3.6
- Build system
  - catkin → ament 사용
    - 파이썬도 사용가능
  - Options
    - Multiple workspace : 복수의 독립된 워크스페이스 사용 가능
    - No non-isolated build : 격리빌드만 지원
    - No devel space : 패키지를 빌드한 후 설치해야 사용가능
- Version Control System
  - wstool → vcstool

ROS2 아키텍쳐

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|                   User Land                   |  <- (1) 사용자가 작성하는 코드
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|              ROS Client Library              |  <- (2) ROS2 API 제공(rclcpp, rclpy)
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|             Middleware Interface              |  <- (3) RMW (ROS Middleware Abstraction)
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| DDS Adapter 1 | DDS Adapter 2 | DDS Adapter 3 |  <- (4) 다양한 DDS 인터페이스 지원
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|   DDS Impl 1  |   DDS Impl 2  |   DDS Impl 3  |  <- (5) 실제 DDS 구현체 (Fast DDS 등)
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User Land(사용자 영역) : 사용자가 ROS2 기반 애플리케이션을 개발하는 영역
- ROS2 애플리케이션 개발(ex: publisher, subscriber, service, action)
- ROS2 API (rclcpp, rclpy)를 사용하여 노드 생성 및 실행
- 로봇 제어, 센서 데이터 처리, 네비게이션, 인공지능 연동 등 수행
ROS Client Library : ROS2에서 사용자가 작성한 코드를 실행할 수 있도록 하는 API 계층
- rclcpp(C++), rclpy(Python) API 제공
- 사용자가 작성한 코드 → RMW 계층으로 변환
- 노드 생성, Publisher/Subscriber 등록, 서비스 처리
Middleware Interface : ROS2의 미들웨어 추상화 계층으로, 특정 DDS 구현체에 의존하지 않도록 중간에서 변환하는 역할을 함
- RMW(ROS Middleware Abstraction) 계층을 통해 다양한 DDS 구현체와 통신
- 사용자가 선택한 DDS벤더(Fast DDS, Cyclone DDS 등)에 맞게 데이터 변환 및 전송
- 노드 간 메시지 송수신 및 서비스 호출을 DDS에서 처리할 수 있도록 연결
DDS Adapter : ROS2의 RMW 계층과 실제 DDS 구현체를 연결하는 어댑터 계층
- RMW 계층에서 온 메시지를 각 DDS 구현체에서 이해할 수 있는 형식으로 변환
- ROS2가 다양한 DDS 구현체를 지원할 수 있도록 인터페이스를 맞춰주는 역할
- ex)
  - rmw_fastrtps_cpp → Fast DDS 어댑터
  - rmw_cyclonedds_cpp → Cyclone DDS 어댑터
  - rmw_connextdds_cpp → RTI Connext DDS 어댑터

DDS Implementations

ROS2에서 실제 메시지 통신을 담당하는 DDS구현체

DDS는 퍼블리셔-서브스크라이버 모델을 사용하여 네트워크에서 노드 간 데이터를 교환하는 역할을 함

RTSP프로토콜을 사용하여 네트워크에서 메시지 전송
노드 자동 탐색(Discovery), 메시지 신뢰성 보장(QoS)
퍼블리셔의 메시지를 서브스크라이버에게 전달

Fast DDS (eProsima)	기본 DDS, 빠르고 가벼움
Cyclone DDS (Eclipse)	저지연 및 소형 임베디드 시스템 최적화
RTI Connext DDS	산업용, 높은 신뢰성
GurumDDS	한국 기업 개발, 빠른 성능

ROS2
- ros2 run <package name> <Node name> 실행 가능
- node
  - ROS에서 실행가능한 최소한의 단위
  - ros2 node list → 를 통해 실행 가능한 노드 확인 가능
  - ros2 node info <node_name> → 노드 정보 확인 가능
- service
  - 두 노드가 데이터를 주고받는 방식 중에 클라이언트가 서버에게 요청을 하면 응답을 받을 수 있는 방식
  - ros2 service list → 현재 사용 가능한 서비스 확인 가능
  - ros2 service type <service name> → 해당 서비스가 사용하는 정의
  - ros2 interface show <service 정의> → 해당 서비스 정의 내용
  - ros2 service call <service name> <service definition> “data” → 서비스 요청 방법
- topic
  - 퍼블리셔가 토픽을 발행하면 서브스크라이버가 토픽을 구독하는 구조
  - ros2 topic list → 현재 사용 가능한 topic
  - ros2 topic type <topic name> topic의 데이터 타입
  - ros2 topic list -t → 사용 가능한 토픽 + 해당 토픽 데이터 타입
  - ros2 topic info <topic name> → 해당 토픽 현황
  - ros2 topic list -v → 토픽 이름, 데이터형, 구독 발행 상황
- rqt_graph → 토픽의 흐름을 보여줌
- action
ROS2 특정 토픽을 구독하는 subscribe node 만드는 법
ROS2 특정 토픽 발행하는 Publish 노드 만들기
ROS2 특정 메시지 타입 사용 법
ROS2 서비스 서버 클라이언트 생성