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전 세계 로봇 애호가를 위한 ROS 프로그래밍 심층 탐구: 핵심 개념, 개발 및 지능형 시스템 구축을 위한 실제 응용 프로그램 소개.

로봇 운영 체제(ROS) 마스터하기: ROS 프로그래밍 글로벌 가이드

로봇 공학 분야는 인공 지능, 머신 러닝 및 자동화의 발전으로 전 세계 산업을 형성하면서 빠르게 진화하고 있습니다. 이 기술 혁명의 중심에는 로봇 개발에 없어서는 안될 유연하고 강력한 프레임워크인 로봇 운영 체제(ROS)가 있습니다. 이 종합 가이드는 정교한 로봇 시스템을 구축하기 위해 ROS 프로그래밍을 이해하고 활용하고자 하는 엔지니어, 연구원, 학생 및 열성 팬으로 구성된 글로벌 청중을 위해 설계되었습니다.

로봇 운영 체제(ROS)란 무엇입니까?

ROS는 Windows 또는 Linux와 같은 전통적인 의미의 운영 체제가 아닙니다. 대신 로봇 소프트웨어를 만들기 위한 라이브러리, 도구 및 규칙 세트를 제공하는 유연한 미들웨어입니다. 원래 Willow Garage에서 개발하고 현재 ROS 커뮤니티에서 유지 관리하는 ROS는 다양한 로봇 및 애플리케이션에서 쉽게 공유하고 재사용할 수 있는 로봇 소프트웨어를 작성하는 표준화된 방법을 제공합니다. 센서, 액추에이터, 탐색 알고리즘 및 사용자 인터페이스와 같은 로봇 시스템의 다양한 구성 요소가 원활하게 상호 작용할 수 있도록 통신 계층 역할을 합니다.

ROS의 주요 원칙

ROS는 유연성과 성능에 기여하는 몇 가지 핵심 원칙을 기반으로 구축되었습니다.

로봇 공학 프로젝트에 ROS를 선택해야 하는 이유는 무엇입니까?

전 세계 연구 기관 및 산업 전반에 걸쳐 ROS가 널리 채택된 것은 ROS의 수많은 장점에 대한 증거입니다.

ROS 프로그래밍: 빌딩 블록

ROS 프로그래밍에는 기본 구성 요소와 상호 작용 방식을 이해하는 것이 포함됩니다. ROS 개발의 주요 언어는 Python 및 C++이며 개발자는 성능 요구 사항 및 개인 선호도에 따라 선택할 수 있습니다.

노드

언급했듯이 노드는 ROS에서 계산의 기본 단위입니다. 각 노드는 일반적으로 모터 제어, 센서 데이터 읽기 또는 경로 계획 알고리즘 실행과 같은 특정 작업을 수행합니다. 노드는 메시지를 통해 서로 통신합니다.

예: 노드는 IMU(관성 측정 장치) 센서에서 데이터를 읽고 sensor_msgs/Imu 메시지로 게시하는 역할을 할 수 있습니다.

토픽

토픽은 노드가 데이터를 교환할 수 있도록 하는 명명된 버스입니다. 데이터를 생성하는 노드(게시자)는 토픽에 메시지를 보내고 해당 데이터에 관심이 있는 다른 노드(구독자)는 해당 토픽에서 해당 메시지를 받을 수 있습니다. 이 게시-구독 모델은 ROS의 분산된 특성의 핵심입니다.

예: 카메라 이미지를 게시하는 노드는 /camera/image_raw라는 토픽에 게시할 수 있습니다. 객체 감지를 수행하는 다른 노드는 이 토픽을 구독합니다.

메시지

메시지는 노드 간에 통신하는 데 사용되는 데이터 구조입니다. ROS는 센서 판독값, 포즈 및 명령과 같은 일반적인 로봇 공학 데이터에 대한 표준 메시지 유형을 정의합니다. 개발자는 특정 애플리케이션 요구 사항에 맞게 사용자 지정 메시지 유형을 정의할 수도 있습니다.

일반적인 메시지 유형:

서비스

토픽은 지속적인 데이터 스트림에 사용되지만 서비스는 요청-응답 통신에 사용됩니다. 클라이언트 노드는 서버 노드에서 제공하는 서비스를 호출할 수 있으며 서버 노드는 작업을 수행하고 응답을 반환합니다. 서비스는 로봇의 상태를 재설정하거나 특정 계산을 수행하는 것과 같이 지속적인 데이터 흐름이 필요하지 않은 작업에 유용합니다.

예: 서비스는 로봇이 특정 대상 위치로 이동하도록 트리거하는 데 사용될 수 있으며 서비스는 성공 또는 실패 상태를 반환합니다.

액션

액션은 피드백을 통해 장기 실행 작업을 수행하기 위한 더 높은 수준의 인터페이스를 제공합니다. 완료하는 데 시간이 걸리고 지속적인 모니터링이 필요한 목표에 적합합니다. 액션은 목표, 피드백 및 결과로 구성됩니다.

예: 탐색 액션 서버는 대상 위치에 대한 geometry_msgs/PoseStamped 목표를 수락할 수 있습니다. 그런 다음 로봇 진행 상황에 대한 지속적인 피드백을 제공하고 목표가 성공적으로 달성되었는지 여부를 나타내는 결과를 반환합니다.

ROS 프로그래밍 시작하기

ROS 프로그래밍 여정을 시작하는 것은 흥미로운 단계입니다. 시작하는 데 도움이 되는 로드맵은 다음과 같습니다.

1. 설치

첫 번째 단계는 개발 시스템에 ROS를 설치하는 것입니다. ROS는 Ubuntu Linux에서 가장 안정적이고 널리 지원됩니다. 설치 프로세스에는 일반적으로 다음이 포함됩니다.

공식 ROS wiki(wiki.ros.org)는 다양한 운영 체제에 대한 배포별 설치 지침을 자세히 제공합니다.

2. ROS 도구 이해

필수 ROS 명령줄 도구에 익숙해지십시오.

3. 첫 번째 ROS 패키지 만들기

ROS 패키지는 소프트웨어 구성의 기본 단위입니다. 노드, 스크립트 및 구성 파일이 포함된 패키지를 만드는 방법을 배우게 됩니다.

패키지를 만드는 단계:

  1. ROS 작업 공간의 src 디렉터리로 이동합니다.
  2. 다음 명령을 사용합니다. catkin_create_pkg my_package_name roscpp rospy std_msgs(ROS 1) 또는 ros2 pkg create --build-type ament_cmake my_package_name(ROS 2).

이 명령은 package.xml 및 CMakeLists.txt(C++) 또는 setup.py(Python)와 같은 표준 ROS 패키지 파일이 있는 새 디렉터리를 만듭니다.

4. ROS 노드 작성

ROS 노드 작성에는 ROS 클라이언트 라이브러리(C++의 경우 roscpp, Python의 경우 rospy)를 사용하여 게시자, 구독자, 서비스 클라이언트/서버 및 액션 클라이언트/서버를 만드는 것이 포함됩니다.

Python 예제(ROS 1 `rospy`): 간단한 게시자


import rospy
from std_msgs.msg import String

def talker():
    pub = rospy.Publisher('chatter', String, queue_size=10)
    rospy.init_node('talker', anonymous=True)
    rate = rospy.Rate(1) # 1hz
    while not rospy.is_shutdown():
        hello_str = "hello world %s" % rospy.get_time()
        rospy.loginfo(hello_str)
        pub.publish(hello_str)
        rate.sleep()

if __name__ == '__main__':
    try:
        talker()
    except rospy.ROSInterruptException:
        pass

C++ 예제(ROS 1 `roscpp`): 간단한 게시자


#include "ros/ros.h"
#include "std_msgs/String.h"

int main(int argc, char **argv)
{
  ros::init(argc, argv, "talker");
  ros::NodeHandle nh;
  ros::Publisher chatter_pub = nh.advertise("chatter", 1000);
  ros::Rate loop_rate(1);

  while (ros::ok())
  {
    std_msgs::String msg;
    msg.data = "Hello World";
    chatter_pub.publish(msg);
    
    ros::spinOnce();

    loop_rate.sleep();
  }

  return 0;
}

5. 작업 공간 컴파일

ROS 패키지를 만들거나 수정한 후에는 catkin_make(ROS 1) 또는 colcon build(ROS 2)를 사용하여 작업 공간을 컴파일해야 합니다. 이 프로세스는 C++ 노드를 빌드하고 Python 스크립트를 ROS에서 검색할 수 있도록 합니다.

ROS 1:


cd ~/catkin_ws # 또는 작업 공간 디렉터리
catkin_make
source devel/setup.bash

ROS 2:


cd ~/ros2_ws # 또는 작업 공간 디렉터리
colcon build
source install/setup.bash

고급 ROS 개념 및 애플리케이션

기본 사항을 파악했으면 고급 ROS 개념 및 애플리케이션을 더 자세히 살펴볼 수 있습니다.

ROS 탐색 스택

ROS 탐색 스택은 모바일 로봇이 환경을 자율적으로 탐색할 수 있도록 하는 강력한 도구 세트입니다. 다음과 같은 작업을 처리합니다.

이 스택은 자율 창고 로봇, 배달 드론 및 다양한 환경에서 작동하는 서비스 로봇과 같은 애플리케이션에 매우 중요합니다.

ROS 조작

팔이나 그리퍼가 있는 로봇의 경우 ROS는 조작을 위한 라이브러리 및 도구를 제공합니다. 여기에는 다음이 포함됩니다.

이러한 기능은 산업 자동화, 로봇 수술 및 조립 작업에 필수적입니다.

ROS 인식

인식은 최신 로봇 공학의 초석으로, 로봇이 주변 환경을 이해할 수 있도록 합니다. ROS는 수많은 컴퓨터 비전 및 센서 처리 라이브러리와 원활하게 통합됩니다.

이러한 도구는 자율 차량 및 검사 드론과 같이 역동적이고 비정형적인 환경에서 작동하는 로봇에 매우 중요합니다.

ROS 및 AI/ML 통합

ROS와 인공 지능/머신 러닝 간의 시너지는 로봇 공학을 크게 변화시키고 있습니다. ROS는 ML 모델을 배포하고 테스트하기 위한 이상적인 플랫폼 역할을 합니다.

ROS 2: 차세대

ROS 2는 원래 ROS 프레임워크의 중요한 진화로, 제한 사항을 해결하고 최신 로봇 공학 개발을 위한 새로운 기능을 통합합니다.

로봇 공학 환경이 발전함에 따라 ROS 1과 ROS 2를 모두 이해하는 것이 점점 더 중요해지고 있습니다.

ROS의 글로벌 영향 및 애플리케이션

ROS의 영향력은 전 세계적으로 확장되어 다양한 부문에서 혁신을 지원합니다.

ROS 프로그래밍의 과제 및 모범 사례

ROS는 강력하지만 효과적인 개발에는 특정 과제에 대한 주의와 모범 사례 준수가 필요합니다.

과제

모범 사례

ROS 프로그래밍의 미래

ROS의 진화는 로봇 공학 및 AI의 발전과 밀접하게 관련되어 있습니다. 지능형 자율 시스템에 대한 수요가 증가함에 따라 ROS는 계속해서 중요한 프레임워크가 될 것입니다. 향후 개발은 다음에 중점을 둘 가능성이 높습니다.

결론

로봇 운영 체제(ROS) 프로그래밍은 최신 로봇 시스템을 구축하고자 하는 모든 사람에게 기본적인 기술입니다. 유연한 아키텍처, 광범위한 라이브러리 및 활기찬 글로벌 커뮤니티는 혁신을 위한 타의 추종을 불허하는 도구입니다. 핵심 원칙을 이해하고 도구를 마스터하고 모범 사례를 채택함으로써 ROS의 잠재력을 발휘하여 산업을 형성하고 전 세계적으로 삶을 개선할 지능형 로봇을 만들 수 있습니다. 캘리포니아의 자율 차량, 일본의 산업 자동화 또는 유럽의 연구에서 작업하든 ROS는 로봇 공학 발전을 주도하는 공통 언어와 툴킷을 제공합니다.