実習ROS 2 Service通信 #ROS2

環境

本記事は以下の環境を想定した記事である。

項目	値
OS	Ubuntu 22.04
ROS	ROS 2 Humble

概要

このページでは、ROS(ROS 1、ROS 2共通)の基本となる通信手段であるService通信について説明し、それをROS 2で実装する。
このページの内容はROS 2公式チュートリアルをベースとする。（ROS 2公式チュートリアル）
公式チュートリアルのサンプルコードはmain関数で処理の大半を実装しているが、本記事のコードではクラスの中に通信処理を実装する。

本記事で解説していること

ROSのService通信の概念
clientのソースコード(C++)
serverのソースコード(C++)

この記事では、example_interfaces/srv/AddTwoInts型のサービスによるノード間通信をC++で実装する。このサービスは、2つの数値をリクエストとして受け取り、その和をレスポンスとして返すという簡単なサービスである。

Service通信

Service通信はROSのノード間の通信方法の1つである。Service通信はリクエスト・レスポンス型の通信方法であり、Pub&Sub通信とは通信方法が異なる。
Service通信では、clientがある処理のリクエストを送信する。serverはそれを受け取り、処理を行った結果をレスポンスとして返す。clientはこの結果を受け取ることで、通信が成立する。
この概念図を以下に示す。

トピックと同様に、サービスにもメッセージ型がある。Service通信はメッセージ型が一致している場合にのみ成立する。

サービス定義ファイル

サービスのリクエストとレスポンスには様々なデータを含められる。ROS 2のデータ型を組み合わせることで、独自のサービス型を実装できる。
今回用いるサービス定義ファイルは、以下のようになる。

example_interfaces/srv/AddTwoInts.srv

int64 a
int64 b
---
int64 sum

---の上段はリクエスト、下段はレスポンスのデータである。
int64はROS 2のデータ型である。
今回作成するService通信では、整数値aとbの値がリクエストに含まれ、レスポンスにはそれらの和であるsumが入る。

メッセージ型の説明と、独自のメッセージ型を作成して利用する方法については、「実習ROS 2 ROS 2メッセージ」、「実習ROS 2 カスタムROSメッセージ」で解説する。

前準備

ROS 2のプログラムを作成するためには、Pub&Sub通信のときと同様の前準備が必要である。
ここでは、~/ros2_lecture_wsがROS 2のワークスペースであり、パッケージ名がservice_commであると仮定して説明する。パッケージは以下のコマンドで作成したと仮定する。

ros2 pkg create --build-type ament_cmake service_comm --dependencies rclcpp example_interfaces

--dependenciesオプションによって、パッケージを作る時点で依存パッケージを指定できる。
service_commパッケージはAddTwoIntsサービスのメッセージ型を使用する。
そのため、この型が定義されているexample_interfacesパッケージを依存パッケージとして指定する。

ソースファイルの作成

Service通信を行うプログラムを作成するために、以下の4つを行う。

clientのコーディング
serverのコーディング
依存関係の設定
CMakeLists.txtの設定

clientのコーディング

以下のリンク先のソースコードを実装する。

clientのソースコード

clientは引数を2つ受け取り、その値をリクエストとしてサーバに送信し、結果を表示するプログラムである。引数のチェックと変換はmain関数で、リクエストの生成と送信、結果の表示はAddTwoIntsClientクラスで行う。
実際にサービスクライアントを生成しているのは、以下の部分である。

    // サービスクライアントの生成
    client_ = this->create_client<example_interfaces::srv::AddTwoInts>("add_two_ints");

リクエストを送信する処理は、送信後にレスポンスを待ち続けて処理が止まらないように、非同期(async)で行う。

    // リクエストを送信
    auto result = client_->async_send_request(request);

serverのコーディング

以下のリンク先のソースコードを実装する。

serverのソースコード

serverはPub&Sub通信におけるsubscriberのコードと実装が似ている。subscriberの代わりに、サービスサーバを示す変数によって、サーバを実現する。
サービスサーバを生成している場所は以下の場所である。リクエストを受け取ったときに実行されるコールバック関数として、AddTwoIntsServer::add関数を指定する。

    // サービスサーバの生成
    server_ = this->create_service<example_interfaces::srv::AddTwoInts>(
      "add_two_ints",
      std::bind(&AddTwoIntsServer::add, this, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2));

サービス本体の処理になる、2つの数値の加算を行うAddTwoIntsServer::add関数を以下に示す。引数にリクエストとレスポンスを持っており、これらを介してメッセージ通信を行う。

  // リクエストを受け取ったときに呼び出されるコールバック関数の定義
  void add(
    const std::shared_ptr<example_interfaces::srv::AddTwoInts::Request> request,
    std::shared_ptr<example_interfaces::srv::AddTwoInts::Response> response)
  {
    RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "Received request: a = %ld, b = %ld", request->a, request->b);

    // サービスの処理本体
    response->sum = request->a + request->b;

    RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "Sending back response: sum = %ld", response->sum);
  }

依存関係の設定

Pub&Sub通信のときと同様に、package.xmlに必要なメタデータを記述する。
以下のリンク先のように記述する。

package.xmlへのリンク

CMakeLists.txtの設定

Pub&Sub通信のときと同様に、CMakeLists.txtに必要なビルド情報を記述する。
以下のリンク先のように記述する。

CMakeLists.txtへのリンク

ビルド

Pub&Sub通信のときと同様に、以下のコマンドでビルドする。

cd ~/ros2_lecture_ws
colcon build --packages-select service_comm

実行

1つ目のターミナルで、以下を実行する。

cd ~/ros2_lecture_ws              # ワークスペースへの移動
. install/setup.bash              # ワークスペース環境のセットアップ
ros2 run service_comm add_two_ints_server    # 実行

2つ目のターミナルで、以下を実行する。
引数の10と20は足し算を行う2つの数字である。

cd ~/ros2_lecture_ws
. install/setup.bash
ros2 run service_comm add_two_ints_client 10 20

結果

clientを起動してからserverを起動すると、以下のような実行結果が得られる。clientで与えた10と20という値の和である30を正しく表示できている。

# clientのターミナル
$ ros2 run service_comm add_two_ints_client 10 20 
[INFO] [1659661416.499417251] [add_two_ints_client]: Service is not available. waiting...
[INFO] [1659661417.499673994] [add_two_ints_client]: Service is not available. waiting...
[INFO] [1659661418.499830419] [add_two_ints_client]: Service is not available. waiting...
[INFO] [1659661419.500242970] [add_two_ints_client]: Service is not available. waiting...
[INFO] [1659661420.500420660] [add_two_ints_client]: Service is not available. waiting...
[INFO] [1659661421.500860678] [add_two_ints_client]: Service is not available. waiting...
[INFO] [1659661422.501306595] [add_two_ints_client]: Service is not available. waiting...
[INFO] [1659661422.695416949] [add_two_ints_client]: Send Request.
[INFO] [1659661422.695600144] [add_two_ints_client]: Sum: 30

# serverのターミナル
$ ros2 run service_comm add_two_ints_server 
[INFO] [1659661422.695377444] [add_two_ints_server]: Create AddTwoInts service server.
[INFO] [1659661422.695472253] [add_two_ints_server]: Received request: a = 10, b = 20
[INFO] [1659661422.695482863] [add_two_ints_server]: Sending back response: sum = 30

また、serverを起動せずにclientのみを起動し、途中でctrl+Cにより実行を中断すると、以下のような結果になる。

$ ros2 run service_comm add_two_ints_client 10 20 
[INFO] [1659661641.420232901] [add_two_ints_client]: Service is not available. waiting...
[INFO] [1659661642.420483827] [add_two_ints_client]: Service is not available. waiting...
[INFO] [1659661643.420632357] [add_two_ints_client]: Service is not available. waiting...
[INFO] [1659661644.420781304] [add_two_ints_client]: Service is not available. waiting...
[INFO] [1659661645.421282922] [add_two_ints_client]: Service is not available. waiting...
^C[INFO] [1659661645.949606772] [rclcpp]: signal_handler(signal_value=2)

なお、clientを引数なしで実行すると、以下のように表示されて実行が終了する。

$ ros2 run service_comm add_two_ints_client 
[INFO] [1659661670.320935396] [rclcpp]: USAGE: add_two_ints client <int> <int>

補足

ROS 1は同期型のService通信のみが可能であったが、ROS 2では同期型に加えて非同期型のService通信も可能になった。
本記事ではint64_t型を出力するための書式指定子は%ldとしたが、正式にはPRId64を用いて以下のように記述する。

#include <cinttypes>
RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "Sum: %" PRId64, result.get()->sum);

実習ROS 2 Service通信

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