機械工学科高専生とROSロボットを作るための仕組みづくり

なんの記事なの？

　ロボットのシステム・ソフトウェア開発好きな学生を増やすために，プログラミング実習後の機械工学科3年生を捕獲してROS勉強会をやろうとした．
　自分だけなら勉強するし，身銭切るし，調べるので，どんな道具でも良いけど，「学生と」となるとそうもいかないので，「うまい・やすい・はやい」を目標に道具立ての試行錯誤を行った活動結果を，備忘録（と反省）を兼ねてまとめました．
　似た事をやろうとしている人は，同じ穴に落ちないようにしてください．
　なお，書き方や理解が大雑把な個所が見られると思いますが，筆者のROSやLinuxに関する知識が未熟なせいですのでご容赦ください（引き続き勉強します）．

仲間（学生）のステータス

• のうりょく：すこしたかい
• やるき：ふつう
• そうび：BYOD指定ノートPC（Windows 10, core i5, Memory 8 Gb, 独立GPUなし）
• 所持ゴールド：もってる筈だがでてこない
• とくしゅのうりょく：
  • C言語の基礎：「構造体・・・ってなんでしたっけね？（by 卒研生．担当教員に100のダメージ）」
  • Arduino プログラミング（サッカーロボットの制御）
  • Linux知識：「知ってる知ってる．アレでしょ，えーと，アレ」レベル．
• そのた：ロボット開発＝アルミ製粉業だと思っている（機械科なので）

どんな機材／開発環境を準備すべきか？

• ロボット：
  • 個人購入は困難．共用品が数台ある（1台/4~5人程度）ぐらいで．
  • Raspberry Pi Mouse （（株）アールティ）を２台，TurtleBot3 burger（ROBOTIS）を１台準備
  • CPU（ラズパイ等）ぐらいは買って貰えると嬉しい．
• 開発用PC：BYOD指定ノートPC
• 開発環境構築のポイント：
  • はやい（構築が簡単）
    • 対ストレス性が高くないので，構築困難だと逃げられます．「俺の若けぇ頃はなぁ，鉄板の上に寝て頑張ったもんだ！」などと言うと一瞬で逃げられます．はめるまで我慢．
  • うまい（ぶっ壊してもリカバリが容易）
    • 「Windows の再インストール？したこと無いっすね」（by 卒研生）が普通なので，「ぶっ壊しても直せる」という自信がつくまで再インストールして貰う．「Linux力 はインストール回数に比例する」[1]
  • やすい：
    • PC一台で普段使い（Windows）とROS開発ができるのがベスト

ロボットはこちらで準備することにしたので，学生PCの開発環境をどないするかについて試行錯誤．

開発環境 Try and Error

1st Gen. (Windows 10 + WSL 1 + Ubuntu 18.04)：

ポイント：

• コロナ下のリモート授業時だったため，ラズパイマウスシミュレータ[2]の利用を想定
• 『デュアルブートは危険』という噂（今まで散々やってきたのだが・・・世間がそう言うならば）
• Docker [3]：「せんせいは何を考えているんですか？」（by 同僚）
• Hyper-V：「皆さんWindowsのエディションは？　エディションなにそれ？ ｱ,ﾊｨ」

というわけで，1st Gen.はWSL 1で構築しました（ﾆﾀﾖｳﾅﾓﾝﾀﾞﾄｵﾓｳｶﾞ）．以下，環境構築手順書のフローチャートです．

結果：

参加者7名の殆どが環境構築で討ち死にしました．原因は，

• 手順書通りに作業したのにエラーが出る（多分ミスってるが，リモートで，こちらも十分な知見が無いのでサポートしきれない）
• シミュレーションまで動いたがすごい遅い（Core i5でシミュレーションは辛かったか？（旧世代だったのかも？））

というわけで，1st Gen.は壮大な実験に終わりました．
　あと，当時，「WSLはシリアルデバイスを認識できないのでrosserialの障壁になる」と思っていたのでWSL案は捨てたのですが，これは後で勘違いだとわかります．

2nd Gen. (Raspberry Pi 4)

2nd Gen.は，リモート授業→対面授業となった時期に開始．

1st Gen. の反省：

• 仮想環境は構築の手間が増えてダメだ！
• Raspberry Pi 4 ならdesktopとして使えるのでは？　安そうだし！

というわけで，ラズパイ4を開発環境として採用．

• Raspberry Pi 4コンプリートキット（スイッチサイエンス．15730円）
• モバイルモニタ（15000円ぐらい）

しめて3万強・・・あれ？あまり安くなくない？（ものによりますが，3万出せば第7世代の中古ThinkPadが買える）というわけで，「ラズパイなら安い」というのは思い込みだったようです．
　一方，「ロボットと同じCPUなので学習コストが下がる」ことを期待して継続．

結果：

• imager で一発構築できるし，なかなかいいじゃん
• だが学生君，amd64アーキテクチャ用の某をインストールして大騒ぎするのはやめてもらおうか
• そもそも，ラズパイ用Ubuntu desktopイメージは最新ディストリビューションしか配布されていないだと？　pythonのバージョンがあぁぁぁ（多くのROS教本[4, 5]は kinetic（with Ubuntu 16.0x）と melodic （with Ubuntu 18.0x）を想定しているため，知らないとはまる）

知っていれば避けられる罠に真っ向勝負を仕掛けるのが若さ．

　Ubuntu ではなく，Raspberry Pi OS（Debian ベース）にROSをインストールする方法も公式Wikiで紹介されていますが（ROSberry Pi），Debian 11のリリースに伴い，ラズパイOSも10（buster）ベースから11（bullseye）ベースに変更されたこと，暫くは両バージョンのラズパイOSが提供されることが，メダパニ力の向上に寄与していると思われます．
　さらに，M1 MacやARM版PCで動くLinuxが出始めたことが，混乱に拍車をかけそうな予感がします（ｷｹﾝﾀﾞ）．

結論：

Arm版Linuxはあぶないのでおとなのひとと一緒に使いましょう

3rd Gen. (恥ずかしながら帰ってきたWSL)

　Armに懲りたのと，WSL 1でもrosserialを使えるのに気付いたことから，WSLに戻ってきました．時が経ち，WSLのインストールもコマンド一発になり，複数の同一Linuxディストリビューションが共存できることも知ったので（上のリンク中ほど），かなり有力な選択肢です．
　
　インストールの話に進む前に，Windowsの仮想環境について整理しておきます．

• Hyper-V：Windows仮想環境の元締め（この程度の認識）．WSLもこの機能を使う．直接利用するにはWindows Pro以上でなければならない（終了）
• WSL 1：Hyper-Vの機能を使ってUbuntuとかを利用できる．
• WSL 2：いいWSL（この程度の認識）．Windows 11ならXクライアント無しでもGUIアプリを使える．だが，シリアル通信が封じられている（なんで？）．ネットワークがWindowsと別セグメントになるため，ROS 1のロボット-開発機間通信が難しい（できるのかもしれないが分かってない）（終了）
• VirtualBox：Hyper-Vと仲が悪い（この程度の認識）．共存できないので，WSLやDockerの利用に支障が生じる．シリアル通信が使えるらしいので，WSLと絶交しても良いなら選択肢に入る．
• Docker：よくわからんが，シリアル通信できる気がしない（調べてない）

というわけで，Windows + WSL 1 + Ubuntu．環境構築は多少面倒かもしれませんが，armでのカオスを考えたら安いもんです．

　ただし，WSL 1でGUIを使うには別途Xクライアントのインストールが必要です．フリーのクライアント（VcXsrv）もありますが，自分は（というか学生が）結構トラブったので，有償のクライアント（X410）と併せて使っています

結果：

• よし！rosserialも動いた完璧！
• だが，Sony Dualshock 繋いでも/dev/joyができないのだが？

　「ロボット操作にDualshock（PlayStation4用コントローラー）使いたいじゃろ」と繋いてみたのですが，Ubuntuだとできる筈の/dev/joyができない・・・という訳で，コントローラーを繋ぐにはひと工夫要りそうです（出来るのか？）．キーボード操作なら問題無いのかもしれません（試してません）．

まとめ

中古のThinkPad でも買ってUbuntu を入れよう！一番コストが低いぞ（出費＋作業量的な意味で）が正解です（ｲﾏｻﾗ）．
「しなくていい苦労の大海原に乗り出し，一週まわって帰ってきた」のが2021年でした．
来年は，生産的なことをしたいと思います．

参考文献：

1. 奈佐原顕郎，入門者のLinux，ブルーバックス (2016)．相変わらずブルーバックスは初心者に求めるレベルが高い．
2. Raspberry Pi Mouse Simulator’s Tutorial，https://raspimouse-sim-tutorial.gitbook.io/project/（accessed at 2021/12/25）．久々に見たらインストーラーが整備されていて腰が抜けた．
3. Tiryoh, docker-ros-desktop-vnc, https://github.com/Tiryoh/docker-ros-desktop-vnc (accessed at 2021/12/25)．自分は感動したんですけど周囲の理解が得られませんでした．
4. 上田隆一，Raspberry Piで学ぶ ROSロボット入門，日経BP (2017)．
5. ピョ・ユンソクほか，ROSロボットプログラミングバイブル，オーム社 (2018)．