Autonomous Integration Project: Step1

Autonomous Integration Project: Step1

AUTHOR: Sungwook LE
DATE: ‘21.10/4 Lecture: System Integration, Udacity
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1. Introduction

Autonomous Full-Stack 이란?
- 자율주행 SW에서 인지(Perception), 판단(Decision), 측위(Localization), 지도(Mapping), 계획(Planning), 제어(Control) 등 Fully Autonomous Vehicle 구현을 위해 필요한 기술(기능) 전체를 말하는 것
- ROS와 같은 Operating System 위에서 Framework의 형태로 모듈/독립성을 가진 여러 기능SW의 Stack으로 자율주행이 구성된다는 의미(목표)에서 사용되는 단어
ROS를 이용하여 기능 Stack을 Node/Pkg단위로 쌓아보는 것이 이번 포스팅의 목표이다.

2. ROS Basic

ROS 명령어 (용어 설명)
1. roscore: rosmaster를 시작하는 명령어로 roscore가 ros master가 된다. rosmaster가 node를 하나로 묶어주는 역할을 한다. roscore
2. rosrun: node를 생성시키는 명령어로, pkg가 roscore에 위치하게 된다. 다시 말해, roscore가 실행된 이후에 그 아래에 node를 실행시키는 명령어 이다. rosrun pkg이름 code
3. rospack: 패키지란 로스를 구성하는 기본 단위로써 실행 가능한 노드를 포함하고 있다. 로스는 패키지를 단위로 각각의 응용 프로그램들이 개발된다. 패키지는 최소한 하나 이상의 노드를 포함하고 있다.
4. roslaunch: 여러개의 node를 하나하나 rosrun할 필요 없이 launch파일을 작성하여 roslaunch 로 동시에 실행 가능함

5. rosnode: 독립적으로 topic을 주고 받는 기능 모듈이 node이다. 기능 stack을 하나의 node에 구현할 수 있고, 이러한 node를 여러개 쌓음으로써, 전체 시스템을 구성하자는 것이 ROS의 목표이다.
6. rostopic: node끼리 sub, pub하는 topic을 의미한다. 예를 들어, 하나의 node는 여러개의 node로 부터 여러개의 topic을 sub 하고 알고리즘을 수행하여 pub하는 형태로 여러 node와 인터페이싱하게 된다. 이 때, rostopic echo 토픽을 통해 ros 안에서 node간 pub, sub하는 topic을 터미널 창에서 볼 수 있다.
7. rosmsg: topic을 타고 흐르는 node간의 소통 매개체
- etc. rostopic list: pub,sub 되고 있는 topic들의 list를 보여줌
- etc. rosnode list: node info 알려줌
- etc. rostopic info xxxx: xxxxtopic의 information을 알려줌. 예를 들면 Type: styx_msgs/Lane
- etc. rosmsg info styx_msgs/Lane: styx_msgs/Lane의 msg 구조를 알려줌
- etc. rospy.loginfo 등 로그 메시지 ROS.org

node를 구동시키는 방식
1. rate(x) 주기 작동
- rospy.rate(x)를 사용하여 node가 sampling rate를 가지고 반복 작동하게 하는 방식으로, rate.sleep()과 같이 쓴다.
2. spin() call back 작동
- rospy.spin()은 topic이 subs되면 callback함수를 이용하여 node가 작동되게 하는 방식이다. - 두개의 방식은 하나의 node에서 같이 써도 된다.
3. 사용 예시

          class ROS_NODE(object):
              def __init__(self):
                  self.pub = rospy.Publisher('/mode', topic_msg, queue_size=1)

                  # call_back 함수, subs가 들어와야 작동
                  rospy.Subscriber('/node', topic_msg, self.call_back)
                  rospy.spin()

                  # 또는 주기 함수
                  self.loop()
                
              def loop(self):
                  rate = rospy.Rate(50)
                  while not rospy.is_shutdown():
                      # 알고리즘, 주기적으로 작동
                      publish()

                      rate.sleep()
                
              def publish(self):
                  msg = topic_msg()
                  self.pub.publish(msg)

3. Project Brief

Udacity의 ROS를 이용한 System Integration 프로젝트 리뷰
Including Stack: traffic light detection, control, and waypoint following
- Code Structure
Implementation docu
docker를 이용하여 진행하였기 때문에, 실행을 위하여 아래의 명령어를 사용하여 docker해야한다.
```
docker run -p 4567:4567 -v $PWD:/capstone -v /tmp/log:/root/.ros/ --rm -it capstone
```

docker가 돌아가면,

docker ps // 돌아가고 있는 도커 리스트 체크 
docker stop [id] // 도커 실행 해제
docker exec -it [134adb2ba12 혹은 my-container] /bin/bash

구현 코드는 repository를 참고하길 바라고, 빠른 리마인드를 목적으로 DBW_Node 코드를 살펴보자

import rospy
from std_msgs.msg import Bool
from dbw_mkz_msgs.msg import ThrottleCmd, SteeringCmd, BrakeCmd, SteeringReport
from geometry_msgs.msg import TwistStamped
import math
from twist_controller import Controller

class DBWNode(object):
    def __init__(self):
        rospy.init_node('dbw_node')

        # get parameter from server, the number (2nd argu) is default value
        vehicle_mass = rospy.get_param('~vehicle_mass', 1736.35)
        fuel_capacity = rospy.get_param('~fuel_capacity', 13.5)
        brake_deadband = rospy.get_param('~brake_deadband', .1)
        decel_limit = rospy.get_param('~decel_limit', -5)
        accel_limit = rospy.get_param('~accel_limit', 1.)
        wheel_radius = rospy.get_param('~wheel_radius', 0.2413)
        wheel_base = rospy.get_param('~wheel_base', 2.8498)
        steer_ratio = rospy.get_param('~steer_ratio', 14.8)
        max_lat_accel = rospy.get_param('~max_lat_accel', 3.)
        max_steer_angle = rospy.get_param('~max_steer_angle', 8.)

        self.steer_pub = rospy.Publisher('/vehicle/steering_cmd',
                                         SteeringCmd, queue_size=1)
        self.throttle_pub = rospy.Publisher('/vehicle/throttle_cmd',
                                            ThrottleCmd, queue_size=1)
        self.brake_pub = rospy.Publisher('/vehicle/brake_cmd',
                                         BrakeCmd, queue_size=1)

        self.controller = Controller(vehicle_mass, fuel_capacity, brake_deadband, decel_limit,
                                     accel_limit, wheel_radius, wheel_base, steer_ratio, max_lat_accel, max_steer_angle)

        rospy.Subscriber('/vehicle/dbw_enabled', Bool, self.dbw_enabled_cb)
        rospy.Subscriber('/twist_cmd', TwistStamped, self.twist_cb)
        rospy.Subscriber('/current_velocity', TwistStamped, self.velocity_cb)

        self.current_vel = None
        self.curr_ang_vel = None
        self.dbw_enabled = None
        self.linear_vel = None
        self.angular_vel = None
        self.throttle = self.steering = self.brake = 0

        self.loop()
        rospy.spin()


    def loop(self):
        rate = rospy.Rate(50) # 50Hz
        while not rospy.is_shutdown():

            if not None in (self.current_vel, self.linear_vel, self.angular_vel):
                self.throttle, self.brake, self.steering = self.controller.control(self.current_vel,
                                                                                self.dbw_enabled,
                                                                                self.linear_vel,
                                                                                self.angular_vel)
            if self.dbw_enabled:
                #rospy.logwarn("angular_vel: {:10f}".format(self.angular_vel))
                self.publish(self.throttle, self.brake, self.steering)

            rate.sleep()

    def dbw_enabled_cb(self, msg):
        self.dbw_enabled = msg
    
    def twist_cb(self, msg):
        self.linear_vel = msg.twist.linear.x
        self.angular_vel = msg.twist.angular.z
    
    def velocity_cb(self, msg):
        self.current_vel = msg.twist.linear.x
                
    def publish(self, throttle, brake, steer):
        tcmd = ThrottleCmd()
        tcmd.enable = True
        tcmd.pedal_cmd_type = ThrottleCmd.CMD_PERCENT
        tcmd.pedal_cmd = throttle
        self.throttle_pub.publish(tcmd)

        scmd = SteeringCmd()
        scmd.enable = True
        scmd.steering_wheel_angle_cmd = steer
        self.steer_pub.publish(scmd)

        bcmd = BrakeCmd()
        bcmd.enable = True
        bcmd.pedal_cmd_type = BrakeCmd.CMD_TORQUE
        bcmd.pedal_cmd = brake
        self.brake_pub.publish(bcmd)


if __name__ == '__main__':
    DBWNode()

rosrun/launch되면 dbw_node가 생성 된다. rosmaster 아래에서 독립적으로 node는 계속적으로 작동하게 된다.
def __init__(self)에서 모든 작동 flow를 확인할 수 있다. class의 method들은 __init__에서 쓰여진 바와 같이 사용된다.

4. 결론

ROS는 Node간 메세지 교환 방식으로 프로그램을 잘게 나누어 공동으로 개발 가능하다는 것이 큰 장점이다.
자율주행 stack을 직접 나누어 구현하기 편하고, library, package를 제공해줌으로서, sensor 등의 hw를 쉽게 이식해 올 수 있다.
ros에서 제공하는 개발지원 tool도 빼 놓을 수 없는 장점이다.
ros1에서는 roscore에 묶여서 하나의 네트워크 채널로 실행되면서 실시간성 보장이 어려운 문제가 있었으나, ros2에서는 많이 개선된 듯 하다.
단점을 하나 보태자면, 단일 로봇을 위한 os로서 군집 로봇에는 한계가 있는 듯 하다.

Autonomous Stack Integration with ROS

ROS를 이용하여 Autonomous Stack을 Integration 해보자

2021-10-04 10:10

Autonomous Integration Project: Step1

1. Introduction

2. ROS Basic

3. Project Brief

4. 결론

끝