C++によるpub/sub通信#

パッケージの作成#

すべてのROS2ノードはパッケージに属している必要があります。ros2 launchやros2 runコマンド等でROS2ノードを起動する際には必ずパッケージ名が必要になります。
本教材で出来上がるコードはこちらのリポジトリに収録しています。参考にしてみてください。
また、コードの詳細な解説はコードのコメントに残してあります。ぜひご参照ください。
ros2 pkg createコマンドを使用し、実際にパッケージを作ってみましょう。

mkdir -p /home/ubuntu/Desktop/colcon_ws/src/ros_handson_packages
cd /home/ubuntu/Desktop/colcon_ws/src/ros_handson_packages
ros2 pkg create tutorial --dependencies rclcpp rclcpp_components ament_cmake_auto geometry_msgs --library-name publish --license Apache-2.0

このコマンドを実行するとtutorialという名前のROS2パッケージが出来上がります。

--dependenciesオプションは依存関係を追加し、結果はpackage.xmlに反映されます。
ROSのビルドシステムであるcolconはpackage.xmlの依存を確認してビルド順を制御、適切に環境を構築していきます。ここでは、tutorialパッケージはrclcpp、rclcpp_components、ament_cmake_auto、geometry_msgsに依存している。というようなに依存関係を設定しています。
ament_cmake_autoはament_cmakeを楽に記述させてくれるパッケージです。正直これがないと記述がとても冗長で面倒くさいので使用を推奨します。この記事が参考になります。

--library-nameオプションは共有ライブラリを作るオプションです。本教材では最短でROS2を使って良いロボットソフトウェアをかけるようになってもらうため、「コンポーネント志向」という書き方でノードを記述します。
他の記述方法も存在するのですが、ROS2の利点であるシステム構成の柔軟性とノード間のレイテンシを最小化するににはこの書き方が最も優れています。
というか現状rclcppで大掛かりなシステムを作ろうとするとこの方法しかありません。

--licenseオプションはライセンスを設定します。ライセンス？どうでもいいじゃんと思うかもしれませんが、ライセンスの書いていないソフトウェアは公開されていたとしても、使っていいかの判断が付きません。
ちゃんと設定して他の人から使ってもらえるパッケージを作りましょう。

CMakeLists.txtの編集#

パッケージを作った段階では、ament_cmake_autoは使われていません、このままではとても記述が面倒なのでCMakeLists.txtをこのファイルのように書き換え、ament_cmake_autoを使ってみましょう。だいぶスッキリしたかと思います。
では、次に共有ライブラリにPublisher/Subscriberを実装し、Pub/Sub通信をしていきたいと思います。

Publisher/Subscriberの実装#

tutorialパッケージのincludeディレクトリにsubscribe.hppと publish.hppをコピーします。
また、それとは別にマルチプラットフォーム対応マクロをまとめたvisibility_control.hをコピーします。
その後さらにsubscribe.cppおよびpublish.cppをtutorialパッケージのsrcディレクトリにコピーします。最後に、pub_sub_node.cppをsrcディレクトリにコピーしましょう。

コンパイル#

すべてのコードのコピーが終了したら、次はコンパイルです。
コンパイルにはcolcon buildコマンドを利用しますがその際にはワークスペースのルートディレクトリに移動する必要があります。

cd /home/ubuntu/Desktop/colcon_ws
colcon build --symlink-install

colcon buildにはさまざまなオプションがありますが、そのなかでも便利なものはこちらの記事にまとめられています。

自作ノードの実行#

コンパイルが完了したところで、上記の手順に従って作成したpub_sub_nodeという実行ファイルを実行してみましょう。

source install/local_setup.bash
ros2 run tutorial pub_sub_node

ros2 runコマンドはビルドした実行ファイルを1つ実行するコマンドです。

ros2 run (パッケージ名) (実行ファイル名)

という形で命令を行ないます。

ros2 runコマンドを実行すると以下のような出力が得られるはずです。

[INFO] [1677948977.302295115] [publish]: start initializing publisher
[INFO] [1677948977.305744085] [subscribe]: start initializing subscriber
[INFO] [1677948977.403264742] [publish]: Hello
[INFO] [1677948977.403477482] [subscribe]: Hello
[INFO] [1677948977.503363186] [publish]: Hello
[INFO] [1677948977.503643422] [subscribe]: Hello
[INFO] [1677948977.603355263] [publish]: Hello
[INFO] [1677948977.603684636] [subscribe]: Hello
[INFO] [1677948977.703275134] [publish]: Hello
[INFO] [1677948977.703552035] [subscribe]: Hello
[INFO] [1677948977.803279880] [publish]: Hello
[INFO] [1677948977.803548277] [subscribe]: Hello
[INFO] [1677948977.903299925] [publish]: Hello
[INFO] [1677948977.903680165] [subscribe]: Hello
[INFO] [1677948978.003363918] [publish]: Hello
[INFO] [1677948978.003732109] [subscribe]: Hello
[INFO] [1677948978.103375621] [publish]: Hello
[INFO] [1677948978.103689912] [subscribe]: Hello
[INFO] [1677948978.203297655] [publish]: Hello
[INFO] [1677948978.203575100] [subscribe]: Hello
[INFO] [1677948978.303349310] [publish]: Hello
[INFO] [1677948978.303621975] [subscribe]: Hello
[INFO] [1677948978.403307587] [publish]: Hello
[INFO] [1677948978.403619985] [subscribe]: Hello
[INFO] [1677948978.503364680] [publish]: Hello
[INFO] [1677948978.503618966] [subscribe]: Hello

この結果はpublishノードからHelloという文字列が/chatterトピックにstd_msgs/msg/String型のデータとして送り出され、それをsubscribeノードが受け取ってターミナルに出力しています。
rqt_graphコマンドで確認してみましょう。
新しいターミナルを立ち上げて以下のコマンドでノード構成を確認してみてください。

rqt_graph

すると下のような画像が表示されるかと思います。

Not Found

ここで、ROS1時代からROSでシステムを作っている方には大きな違和感があるかと思います。
ROS1時代は原則的に「1プロセス1ノード」でした、そのため1回rosrunコマンドを実行しただけでは２つのノードが起動することはありません。
しかし、上の画像を見ると確かに2つのノードが1回ros2 runコマンドを実行するだけで起動しています。
ここがROS1とROS2の大きな差です。
ROS2は「1プロセス1ノード」の原則はありません、1つのプロセスに好きなだけノードを乗せることができます。(ただし載せすぎると思わぬ副作用を生じさせてしまったりするので何でもかんでも1つにしたほうがいいというわけではありません。) 同じプロセスに乗っているノードは計算機から見ると同じプロセスのプログラムなのでメモリアドレスの範囲を共有しており、ROS2はそれを利用して同じプロセスに乗っているノード間でのゼロコピー通信を行ないます。

このゼロコピー通信は非常に高速で画像を圧縮する時間よりも生画像をゼロコピー通信で送るほうが高速であるという結果が得られている程です。

ROS2で同一デバイス内画像通信の遅延について知りたくて色々試した話 - Qiita
単一デバイス（Ultra96）内でROS2通信を利用して画像を送受信した場合、画像のサイズ、圧縮するか否か、使用するDDS、などを変えて画像の送受信にかかる時間を測定・評価しました。どちらかというと通信遅延そのものについての評価というより、画像を送信する際にかかる時間の評価です。ですので、圧縮画像送信の際には画像の圧縮にかかる時間も遅延時間に含んでいたりします。

ROS2で安定したシステムを構築するには「どのノードとどのノードが同じプロセスに乗っているか？」を意識してコーディングおよびシステム設計を行なうことが重要です。
筆者は普段の開発では以下の項目に留意しながら開発を進めています。

頻繁に大容量の通信をするノード同士は同じプロセスに乗せる
- 特にLiDAR/Cameraのデータは重く、レートもそこそこ高い
- 認識後のデータは軽いので、センシング処理から認識処理までを1つのプロセスに固めることが多い
トピックのドロップ率を下げたいノード同士は同じプロセスに乗せる
- QoSによる再送機能はあるものの、パケット通信は確実に到達するわけではない

launchファイルによる複数ノードの同時実行#

ロボットシステムは非常に複雑で、1つの実行ファイルでロボットを動かそうとするのは困難です。
そこで、ROS2にはros2 launchコマンドというコマンドがあります。

前章で作った２つのノードをros2 launchコマンドを使ってまとめて実行しましょう。

それでは、CMakeLists.txtをこのファイルのように書き換えてみましょう。 installという行が増えていると思いますが、これはROS2ではlaunchファイルや設定ファイルを使えるようにするにはinstallという作業をする必要があるからです。実行ファイル等も本来はinstallする必要があるのですが、これはament_cmake_autoがやってくれています。

これが完了したら、もう一度colcon buildコマンドでビルドを行ないましょう。

cd /home/ubuntu/Desktop/colcon_ws
colcon build --symlink-install

colcon buildコマンドでビルドが完了したらいよいよ実行です。下記のコマンドを実行してシステムを立ち上げてみてください。

ros2 launch tutorial pub_sub.launch.xml

すると以下のような出力が得られるはずです。

[INFO] [launch]: Default logging verbosity is set to INFO
[INFO] [component_container_mt-1]: process started with pid [3596261]
[component_container_mt-1] [INFO] [1678104787.263613522] [pub_sub.pub_sub_container]: Load Library: /home/masaya-desktop/workspace/ros_handson_ws/install/tutorial/lib/libpublish.so
[component_container_mt-1] [INFO] [1678104787.265101658] [pub_sub.pub_sub_container]: Found class: rclcpp_components::NodeFactoryTemplate<tutorial::Publish>
[component_container_mt-1] [INFO] [1678104787.265137977] [pub_sub.pub_sub_container]: Instantiate class: rclcpp_components::NodeFactoryTemplate<tutorial::Publish>
[component_container_mt-1] [INFO] [1678104787.270249971] [pub_node]: start initializing publisher
[INFO] [launch_ros.actions.load_composable_nodes]: Loaded node '/pub_node' in container '/pub_sub/pub_sub_container'
[component_container_mt-1] [INFO] [1678104787.271713751] [pub_sub.pub_sub_container]: Load Library: /home/masaya-desktop/workspace/ros_handson_ws/install/tutorial/lib/libsubscribe.so
[component_container_mt-1] [INFO] [1678104787.272387091] [pub_sub.pub_sub_container]: Found class: rclcpp_components::NodeFactoryTemplate<tutorial::Subscribe>
[component_container_mt-1] [INFO] [1678104787.272424352] [pub_sub.pub_sub_container]: Instantiate class: rclcpp_components::NodeFactoryTemplate<tutorial::Subscribe>
[component_container_mt-1] [INFO] [1678104787.278872627] [sub_node]: start initializing subscriber
[INFO] [launch_ros.actions.load_composable_nodes]: Loaded node '/sub_node' in container '/pub_sub/pub_sub_container'
[component_container_mt-1] [INFO] [1678104787.371028786] [pub_node]: Hello
[component_container_mt-1] [INFO] [1678104787.371617488] [sub_node]: Hello
[component_container_mt-1] [INFO] [1678104787.471088200] [pub_node]: Hello
[component_container_mt-1] [INFO] [1678104787.471364157] [sub_node]: Hello
[component_container_mt-1] [INFO] [1678104787.571035671] [pub_node]: Hello
[component_container_mt-1] [INFO] [1678104787.571447180] [sub_node]: Hello
[component_container_mt-1] [INFO] [1678104787.671084154] [pub_node]: Hello
[component_container_mt-1] [INFO] [1678104787.671506773] [sub_node]: Hello
[component_container_mt-1] [INFO] [1678104787.770995355] [pub_node]: Hello
[component_container_mt-1] [INFO] [1678104787.771316282] [sub_node]: Hello
[component_container_mt-1] [INFO] [1678104787.871038601] [pub_node]: Hello
[component_container_mt-1] [INFO] [1678104787.871460026] [sub_node]: Hello
[component_container_mt-1] [INFO] [1678104787.971033180] [pub_node]: Hello
[component_container_mt-1] [INFO] [1678104787.971436789] [sub_node]: Hello
[component_container_mt-1] [INFO] [1678104788.071025164] [pub_node]: Hello
[component_container_mt-1] [INFO] [1678104788.071361172] [sub_node]: Hello
[component_container_mt-1] [INFO] [1678104788.171029467] [pub_node]: Hello
[component_container_mt-1] [INFO] [1678104788.171445897] [sub_node]: Hello
[component_container_mt-1] [INFO] [1678104788.271071987] [pub_node]: Hello
[component_container_mt-1] [INFO] [1678104788.271406651] [sub_node]: Hello
[component_container_mt-1] [INFO] [1678104788.371035315] [pub_node]: Hello
[component_container_mt-1] [INFO] [1678104788.371356692] [sub_node]: Hello
[component_container_mt-1] [INFO] [1678104788.471047626] [pub_node]: Hello
[component_container_mt-1] [INFO] [1678104788.471405888] [sub_node]: Hello
[component_container_mt-1] [INFO] [1678104788.571115586] [pub_node]: Hello
[component_container_mt-1] [INFO] [1678104788.571450181] [sub_node]: Hello

ros2 runコマンドで実行したときと同じような出力が得られていますね。
コンパイル時にExecutorに乗せるか実行時にExecutorに乗せるかの差になってくるので例外処理などを除いて２つのやり方に本質的な差はありません。
コンパイル時に固めたいか、実行時に柔軟に構成を変化させたいかでどちらを採用するか判断すると良いかなと思います。

Last update: October 17, 2023