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。

simple_talker.cpp

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。

simple_listener.cpp

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。

参考