ROS2における時間管理・Rate系とTimer系

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ROS2では時間管理をROSシステムが行うことを推奨している．これは，sleepなどの時間処理をROS2が管理する，という意味から，定期的な処理をsleepではなくnodeがnodeの機能によって行う(つまりROS2システムが行う)，という意味まで含む．
ここではsleep関数に関わるRate系と定期的な処理に関わるTimer系について書く．

• Rate系
  • 主にsleep関数に関係する．
  • WallRateとRateがある．とりあえずWallRate推奨する．
• Timer系
  • 定期的な処理を行わせる．
  • nodeの機能として実現され，nodeの定期的な処理を主な対象としている．
• 詳しくはrclcppのAPIのRateおよびTimerの項を参照．

時間管理について

以下はROSメインの話．

時間管理を考えると，実時間とシミュレーション時間は結構異なる．シミュレーションでは時間を早めたり遅くしたりすることができる．また時間が過去に戻ったり未来に飛ばしたりもできる．それらをうまく扱わなければ変な動作をしてしまう．
ROS2では時間管理のために SystemTime，SteadyTimeそしてROSTimeという時間の抽象化を行っており，基本的に ROSTimeの使用が推奨されている．これらは，std::chrono::system_clockとstd::chrono::steady_clockを使って設計されている．
SystemTimeはシステムクロックに直接結びついていて，SteadyTimeは．．．ROS2 Designでは例による説明でよく分からなかった．
そして利用が推奨されているROSTimeはノードパラメータuse_sim_timeの値(すべてのノードがデフォルトで持ってるパラメータ)によって挙動が変わる．use_sim_time: trueの場合，ROS Time Sourceがアクティブになり，そちらが用いられる．use_sim_time: falseの場合，ROS Time Sourceがアクティブでなくなり，SystemTimeと同等になるっぽい．
そのROS Time Sourceは何かというと，ROSシステム全体で一つだけの/clockのトピックとなる．で，これはシステムクロックのように定期的に時間をpublishするのだが，過去に戻ろうとするとブロックされる(そして希望するならcallback関数を割り当てられる)．つまり，本物の時間のように値が単調増加となることが保証されるっぽい．
詳しい情報はROS2 DesignのClock and Timeに詳しい．

以上を踏まえて，ROS2では未実装のものもあり鋭意構築中なのかな？
例えば，sleepに関してはWallRate,Rate系のsleep()があった．これに加えてrclcpp::sleep_forやDurationクラスが追加されている(Eloquentまではなかった．foxyから．)．
とりあえず少しずつ気が付いたところ・勉強したところを還元しアップデートしていくしかない．
Githubのissueやその中にあるリンクにて議論が行われている．

準備

terminal

$ cd ~/ros2_studies_ws/
$ ros2 pkg create minimal_timer --dependencies rclcpp

Rate系およびTimer系プログラム

作成物:github.comの以下のファイル

• src/main.cpp

プログラム

src/main.cpp

#include <rclcpp/rclcpp.hpp>
#include <chrono>

rclcpp::Node::SharedPtr node = nullptr;

int main(int argc, char * argv[]){
  using namespace std::chrono_literals;

  rclcpp::init(argc,argv);
  node = rclcpp::Node::make_shared("minimal_node");

  rclcpp::WallRate loop_rate(500ms);
  for(int i=0 ; i<3 ; i++){
    RCLCPP_INFO(node->get_logger(), "loop:%d",i);
    loop_rate.sleep();
  }

  for(int i=0 ; i<3 ; i++){
    RCLCPP_INFO(node->get_logger(), "loop:%d",i);
    rclcpp::sleep_for(500ms);
  }

  auto timer1 = node->create_wall_timer(
    1s,
    [](){
      RCLCPP_INFO(node->get_logger(),"node_loop");
    }
  );
  rclcpp::spin(node);

  rclcpp::shutdown();
  return 0;
}

概要

12行目前後でRate系の，23行目前後でTimer系の処理をしている．クラス化したnodeでも使い方は基本同じ．
また，時間関係の便利道具chronoを使用して，"500ms"や"1s"(1秒)，"1min"(1分)，"1h"など単位付きの時間が指定できるようにしている．

説明

chrono

c++の機能としてchronoを使用．
2行目でインクルード．
7行目で単位付きの時間を使用するための設定．
12行目のように"500ms"と使用．

Rate系

Rate系は実行周期を制御するもので，具体的にはsleep関数の実行にかかわるもの．
12行目のように宣言し，15行目のように使用．
普通のsleepのようにsleep(10)とスリーブ時間を設定することはできない．

Timer系

例えばセンサ値を定期的に取得してpublish(発信)したい，など定期的な処理を行うためにTimer系が存在．
nodeの機能なので23行目のようにnodeがcreate_wall_timer関数を使用してtimerを作成．
create_wall_timerの第一引数(24行目)が実行周期，第二引数(25行目～27行目のlambda関数)が定期的な処理．
29行目でnodeを実行することで定期的な処理が実行される．

package.xmlとCMakeLists.txt

これまでと同様に関係部分の抜粋．

package.xml

<package format="3">
  <depend>rclcpp</depend>

CMakeLists.txt

find_package(rclcpp REQUIRED)
add_executable(timer_test
  src/main.cpp
)
ament_target_dependencies(timer_test
  rclcpp
)
install(TARGETS
  timer_test
  DESTINATION lib/${PROJECT_NAME}
)

コンパイル・実行

terminal

$ colcon build --symlink-install --packages-up-to minimal_timer
$ . install/local_setup.bash
$ ros2 run minimal_timer timer_test

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