環境
本記事は以下の環境を想定して記述している。
| 項目 | 値 |
|---|---|
| OS | Ubuntu 22.04 |
| ROS | ROS 2 Humble |
概要
本記事では、ROS(ROS 1、ROS 2共通)の基本となる通信手段であるPub&Sub型通信（トピック通信）について説明し、ROS 2でこれを実装する。
本記事の内容はROS 2公式チュートリアルをベースとしている。（ROS 2公式チュートリアル）
本記事で解説していること
- ROSのトピック通信（Pub&Sub通信）の概念
- 新規ROS 2パッケージの作成方法
- Publisherのソースコード(C++)
- Subscriberのソースコード(C++)
- Pub&Sub通信における、ROS 1とROS 2のコーディングの差異
Pub&Sub通信
ROSはロボットアプリケーションを分散処理システムとして実現するための仕組みを持つ。プログラムはノードと呼ばれる処理単位に分けられ、それらの間のメッセージ通信によってアプリケーション全体の処理が実現される。
ノード間のメッセージ通信手段の1つとして、トピック通信がある。トピックはデータの型と名前をもつ通信チャネルで、ノードがデータを送信、受信する対象である。
以下にトピック通信の模式図を示す。
図は、simple_talkerという名前のノードがメッセージを送信し、simple_listenerという名前のノードがメッセージを受信する様子を示している。
chatterはトピックの名前で、トピックを送信することを「（メッセージを）publishする」、受信することを「subscribeする」という。
このことから、トピック通信をPub&Sub通信ともいう。
トピック通信では、メッセージを送受信するお互いのノードの存在を意識せずに処理を実装することができる。
トピックには名前のほかに型があり、今回の実装では文字列を表すstd_msgs::msg::String型のメッセージを用いる。
ROS 2のデータ型としては、例えば以下が挙げられる。
- 64bit長の浮動小数点数を表す
std_msgs::msg::Float64型 - 32bit長の符号あり整数型を表す
std_msgs::msg::Int32型 - カメラ画像を表す
sensor_msgs::msg::Image型 - パスを表す
nav_msgs::msg::Path型
前準備
ROS 2のプログラムを作成し実行するまでに必要な前準備として、以下を行う必要がある。
- ROS 2のインストール
- ワークスペースの作成
- ROS 2パッケージの作成
ここでは、ROS 2のインストールは終了しており、ワークスペースは~/ros2_lecture_wsにあるという前提で説明する。
パッケージは、以下のように作成したと仮定して説明する。
cd ~/ros2_lecture_ws/src
ros2 pkg create --build-type ament_cmake pub_sub_comm
上記のコマンドでは、ament_cmakeというビルドシステムを使用したpub_sub_commという名前のパッケージを作成している。
ソースファイルの作成
Pub&Sub通信を行うシンプルなROS 2プログラムを作成するために、以下の4つを行う。
- Publisherのコーディング
- Subscriberのコーディング
- 依存関係の設定
- CMakeLists.txtの設定
ソースファイルの作成は以下のコマンドで行う。
cd ~/ros2_lecture_ws/src/pub_sub_comm
touch src/simple_talker.cpp src/simple_listener.cpp
Publisher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。
ここでは、publisherを以下のようにSimpleTalkerクラスのメンバ変数として宣言している。
// rclcpp::Nodeを継承したクラスSimpleTalkerの宣言
class SimpleTalker : public rclcpp::Node
{
// （省略）
private:
// std_msgs::msg::String型のトピックを送信するpublisher
rclcpp::Publisher<std_msgs::msg::String>::SharedPtr publisher_;
};
publisherは、rclcpp::Nodeクラスが持つ関数create_publisher()によって作成されている。
// （省略）
// コンストラクタ
SimpleTalker()
: Node("simple_talker") // ノード名をsimple_talkerで初期化
{
// publisherの生成
// 第一引数はトピック名、第二引数はバッファサイズ
publisher_ = this->create_publisher<std_msgs::msg::String>("chatter", 10);
// （省略）
}
// （省略）
ROS 1のチュートリアルのpublisherでは定期的な処理をwhileループでコーディングしていた。
一方ROS 2では、定期的な処理をタイマとコールバック関数で実装する。
タイマはrclcpp::spin()関数を実行すると開始される。
Subscriber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。
ここでは、subscriberを以下のようにSimpleListenerクラスのメンバ変数として宣言している。
// rclcpp::Nodeを継承したクラスSimpleListenerの宣言
class SimpleListener : public rclcpp::Node
{
// （省略）
private:
// （省略）
// std_msgs::msg::String型のトピックを受信するsubscriber
rclcpp::Subscription<std_msgs::msg::String>::SharedPtr subscription_;
};
subscriberは、publisherと同様にrclcpp::Nodeクラスが持つ関数create_subscription()によって作成されている。
// （省略）
// コンストラクタ
SimpleListener()
: Node("simple_listener") // ノード名をsimple_listenerで初期化
{
// subscriberの作成
// 第一引数はトピック名
// 第二引数はメッセージのバッファサイズ、
// 第三引数は受信したときに呼ばれる関数
subscription_ = this->create_subscription<std_msgs::msg::String>(
"chatter", 10, std::bind(&SimpleListener::chatter_callback, this, _1)
);
}
// （省略）
依存関係の設定
パッケージを作成するとpackage.xmlというファイルが自動で生成される。このファイルにはパッケージ全体のメタデータを記述する。
package.xmlの全体像はこちら。
以下、自動生成されたファイルから変更した部分を説明する。
- バージョン（version）、パッケージの説明（description）、メンテナー（maintainer）、ライセンス情報（license）を記述する。
なお、今回実装するソースコードはBSD-2-Clauseライセンスであるため以下のように記述したが、ROS 2そのものはApache License 2.0で開発されている。
<version>0.0.1</version>
<description>Examples of minimal publisher/subscriber using rclcpp</description>
<maintainer email="maintainer@example.com">Maintainer Name</maintainer>
<license>2-Clause BSD License</license>
- このパッケージが依存しているパッケージを依存関係（depend）として記述する。ここでは、rclcppパッケージとstd_msgsパッケージを指定する。
<depend>rclcpp</depend>
<depend>std_msgs</depend>
CMakeLists.txtの設定
パッケージを作成するときに--build-type ament_cmakeというオプションを指定するとCMakeLists.txtというファイルが自動で生成される。このファイルにはCMakeでのビルド設定を記述する。
CMakeLists.txtの全体像はこちら。
以下、追記した部分について説明する。
-
find_package()ではこのROS 2パッケージが依存するパッケージ名を書く。
find_package(rclcpp REQUIRED)
find_package(std_msgs REQUIRED)
-
add_executable()では実行ファイル生成の設定を書く。第一引数が実行ファイル名（自由に付けられる）で、第二引数にソースファイルを書く。 -
ament_target_dependencies()では、ライブラリの依存関係を書く。
add_executable(talker src/simple_talker.cpp)
ament_target_dependencies(talker rclcpp std_msgs)
add_executable(listener src/simple_listener.cpp)
ament_target_dependencies(listener rclcpp std_msgs)
-
install()では、インストール用の設定を書く。インストールするターゲット名と、その場所を書く。
install(TARGETS
talker
listener
DESTINATION lib/${PROJECT_NAME})
ビルド
cd ~/ros2_lecture_ws
colcon build --packages-select pub_sub_comm
ワークスペースでcolcon buildコマンドを実行するとプログラムをビルドできる。--packages-selectオプションによって、ビルドするパッケージを選ぶことができる。コンパイルエラーがある場合はここで表示される。
実行
ROS 2では、ROS 1と異なり、roscoreを起動させる必要がない。そのため、simple_talkerを実行するターミナルと、simple_listenerを実行するターミナルの2つで実行が可能である。
- 1つ目のターミナルで実行
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 pub_sub_comm listener # 実行
- 2つ目のターミナルで実行
cd ~/ros2_lecture_ws
. install/setup.bash
ros2 run pub_sub_comm talker
結果
simple_talkerを実行させたターミナルからはメッセージをpublishしている表示が現れる。それと同時にsimple_listenerを実行させたターミナルからsubscribeしているメッセージが表示される。これにより/chatterトピックが正しく送受信できていることが確認できる。
ROS 1とROS 2の違い
ROS 1とROS 2におけるPub&Sub通信の実装、実行方法の大きな違いを以下にまとめる。
- ROS 1ではマスタノードroscoreを起動させる必要があるのに対し、ROS 2ではその必要がない。
- ROS 1では定期的な処理をwhileループで実装することが多いが、ROS 2ではタイマとそのコールバック関数で実現する。
（なお、ROS 1でもタイマコールバックによる定期処理は可能である。） - ROS 1ではメッセージ型が
std_msgs::Stringであるが、ROS 2ではstd_msgs::msg::Stringである。