1296.30 재사용 가능한 액션 노드 설계
1. 재사용성의 의의
재사용 가능한 액션 노드(reusable action node)는 특정 임무나 트리 구조에 종속되지 않고, 다양한 컨텍스트에서 동일한 코드로 활용될 수 있는 노드이다. 행동 트리의 핵심 장점인 모듈성(modularity)은 개별 노드의 재사용성에 의해 실현되며, 재사용성이 높은 노드의 라이브러리는 새로운 행동 트리의 구성 비용을 현저히 감소시킨다(Colledanchise & Ögren, 2018).
재사용 가능한 노드의 설계는 노드 개발의 초기 비용을 증가시키나, 장기적으로는 코드 중복의 제거, 테스트 범위의 축소, 유지 보수 비용의 감소에 의해 전체 개발 비용을 절감한다.
2. 재사용을 저해하는 설계 요인
2.1 하드코딩된 값
입력 값이 포트가 아닌 코드 내부에 직접 기입된 경우, 해당 값을 변경하려면 코드를 수정하고 재컴파일하여야 한다.
// 재사용 불가: 토픽명과 타임아웃이 하드코딩됨
class PublishVelocity : public BT::SyncActionNode
{
BT::NodeStatus tick() override
{
auto msg = geometry_msgs::msg::Twist();
msg.linear.x = 0.5; // 하드코딩된 속도
publisher_->publish(msg);
return BT::NodeStatus::SUCCESS;
}
public:
PublishVelocity(const std::string& name,
const BT::NodeConfig& config,
rclcpp::Node::SharedPtr node)
: SyncActionNode(name, config)
{
publisher_ = node->create_publisher<
geometry_msgs::msg::Twist>(
"/cmd_vel", 10); // 하드코딩된 토픽명
}
};
2.2 특정 임무에 대한 결합
노드의 행동이 특정 임무의 맥락에 종속되면, 다른 임무에서 재사용할 수 없다.
// 재사용 불가: "부엌으로 이동" 행동이 임무에 종속
class GoToKitchen : public BT::StatefulActionNode
{
BT::NodeStatus onStart() override
{
Pose kitchen_pose{3.5, 2.1, 0.0}; // 특정 위치
sendNavigationGoal(kitchen_pose);
return BT::NodeStatus::RUNNING;
}
// ...
};
2.3 특정 ROS2 인터페이스에 대한 강결합
노드 내부에서 ROS2 인터페이스(토픽명, 서비스명, 액션명)를 직접 생성하면, 인터페이스 이름의 변경 시 코드 수정이 필요하다.
3. 재사용성을 위한 설계 전략
3.1 포트를 통한 파라미터화
모든 가변적 값을 입력 포트로 노출하여, XML 트리 정의에서 값을 지정할 수 있게 한다.
class NavigateToPose : public BT::StatefulActionNode
{
public:
NavigateToPose(const std::string& name,
const BT::NodeConfig& config)
: StatefulActionNode(name, config) {}
static BT::PortsList providedPorts()
{
return {
BT::InputPort<Pose>("target_pose",
"목표 위치와 자세"),
BT::InputPort<std::string>("server_name",
"navigate_to_pose",
"액션 서버 이름"),
BT::InputPort<double>("timeout_sec",
"30.0",
"타임아웃 (초)")
};
}
BT::NodeStatus onStart() override
{
Pose target;
if (!getInput("target_pose", target))
return BT::NodeStatus::FAILURE;
std::string server_name;
getInput("server_name", server_name);
double timeout;
getInput("timeout_sec", timeout);
sendGoalToServer(server_name, target, timeout);
return BT::NodeStatus::RUNNING;
}
BT::NodeStatus onRunning() override
{
return isNavigationComplete()
? BT::NodeStatus::SUCCESS
: BT::NodeStatus::RUNNING;
}
void onHalted() override { cancelNavigation(); }
};
이 구현에서 목표 위치, 액션 서버 이름, 타임아웃 값이 모두 입력 포트로 노출되어 있다. 동일한 노드를 다양한 목표와 서버에 대해 재사용할 수 있다.
<!-- 동일한 노드를 다른 목표로 재사용 -->
<Sequence>
<NavigateToPose target_pose="{kitchen_pose}"
server_name="navigate_to_pose"
timeout_sec="30.0" />
<NavigateToPose target_pose="{living_room_pose}"
server_name="navigate_to_pose"
timeout_sec="45.0" />
</Sequence>
3.2 의존성 주입
ROS2 노드 핸들, 액션 클라이언트, 서비스 클라이언트 등의 외부 의존성은 생성자 파라미터 또는 블랙보드를 통해 주입한다. 노드 내부에서 직접 생성하지 않는다.
class GenericActionClient : public BT::StatefulActionNode
{
public:
GenericActionClient(const std::string& name,
const BT::NodeConfig& config,
rclcpp::Node::SharedPtr ros_node)
: StatefulActionNode(name, config),
ros_node_(ros_node) {}
BT::NodeStatus onStart() override
{
std::string action_name;
getInput("action_name", action_name);
// 의존성 주입된 ROS2 노드를 사용
action_client_ = rclcpp_action::create_client<
ActionType>(ros_node_, action_name);
// ...
return BT::NodeStatus::RUNNING;
}
private:
rclcpp::Node::SharedPtr ros_node_;
};
의존성 주입은 다음의 재사용성 이점을 제공한다.
- 환경 독립성: 노드가 특정 ROS2 노드 이름에 종속되지 않는다.
- 테스트 용이성: 모의 객체(mock object)를 주입하여 단위 테스트가 가능하다.
- 구성 유연성: 동일한 노드 클래스를 다른 ROS2 노드 핸들과 조합하여 사용할 수 있다.
3.3 범용적 행동의 추상화
특정 임무에 종속된 행동 대신, 범용적 행동을 추상화하여 노드를 설계한다.
| 임무 종속적 노드 | 범용적 노드 |
|---|---|
| GoToKitchen | NavigateToPose |
| GrabRedBox | PickupObject |
| SayHello | SpeakText |
| CheckBatteryLow | CompareValue |
| WaitThreeSeconds | Wait |
범용적 노드는 구체적 값(부엌 좌표, “Hello” 문자열, 3초)을 입력 포트를 통해 전달받으므로, 트리의 XML 정의에서 다양한 값으로 인스턴스화할 수 있다.
3.4 ROS2 인터페이스 이름의 파라미터화
ROS2 토픽, 서비스, 액션의 이름을 입력 포트 또는 생성자 파라미터로 전달하여, 인터페이스 이름의 변경에 코드 수정이 불필요하게 한다.
static BT::PortsList providedPorts()
{
return {
BT::InputPort<std::string>("topic_name",
"/cmd_vel",
"발행 대상 토픽 이름"),
BT::InputPort<double>("linear_x",
"목표 선속도 (m/s)"),
BT::InputPort<double>("angular_z",
"목표 각속도 (rad/s)")
};
}
4. 재사용성 수준의 분류
액션 노드의 재사용성을 수준별로 분류한다.
4.1 수준 1: 프로젝트 내 재사용
동일 프로젝트의 다수의 행동 트리에서 재사용 가능한 수준이다. 프로젝트 고유의 메시지 타입이나 인터페이스에 의존할 수 있다.
// 프로젝트 고유 메시지 타입 사용
class SetRobotMode : public BT::SyncActionNode
{
static BT::PortsList providedPorts()
{
return {
BT::InputPort<my_project_msgs::msg::RobotMode>(
"mode", "설정할 로봇 모드")
};
}
// ...
};
4.2 수준 2: 도메인 내 재사용
동일 도메인(내비게이션, 매니퓰레이션 등)의 다수의 프로젝트에서 재사용 가능한 수준이다. 표준 ROS2 메시지 타입과 인터페이스를 사용한다.
// 표준 ROS2 메시지 타입 사용
class NavigateToPose : public BT::StatefulActionNode
{
// nav2_msgs::action::NavigateToPose 사용
// geometry_msgs::msg::PoseStamped 사용
// ...
};
4.3 수준 3: 범용 재사용
도메인에 무관하게 재사용 가능한 범용적 노드이다. 표준 타입만을 사용하며, 특정 도메인의 인터페이스에 의존하지 않는다.
// 범용적 대기 노드
class Wait : public BT::StatefulActionNode
{
public:
static BT::PortsList providedPorts()
{
return {
BT::InputPort<double>("duration_sec",
"대기 시간 (초)")
};
}
BT::NodeStatus onStart() override
{
double duration;
if (!getInput("duration_sec", duration))
return BT::NodeStatus::FAILURE;
deadline_ = std::chrono::steady_clock::now()
+ std::chrono::duration<double>(duration);
return BT::NodeStatus::RUNNING;
}
BT::NodeStatus onRunning() override
{
return (std::chrono::steady_clock::now() >= deadline_)
? BT::NodeStatus::SUCCESS
: BT::NodeStatus::RUNNING;
}
void onHalted() override {}
private:
std::chrono::steady_clock::time_point deadline_;
};
5. 재사용성 검증 기준
노드의 재사용 가능성을 검증하기 위한 기준을 제시한다.
| 검증 항목 | 질문 | 재사용 가능 |
|---|---|---|
| 입력 파라미터화 | 모든 가변값이 포트로 노출되어 있는가? | 예 |
| 하드코딩 부재 | 코드에 특정 값이 직접 기입되어 있지 않은가? | 예 |
| 임무 독립성 | 노드의 명칭과 행동이 특정 임무를 가정하지 않는가? | 예 |
| 환경 독립성 | 특정 ROS2 네임스페이스나 토픽명에 종속되지 않는가? | 예 |
| 의존성 주입 | 외부 의존성이 주입 가능한가? | 예 |
| 표준 타입 사용 | 가능한 한 표준 메시지 타입을 사용하는가? | 예 |
6. Nav2의 재사용 가능 노드 설계 사례
ROS2 Navigation2(Nav2)는 재사용 가능한 행동 트리 노드의 대표적 설계 사례를 제공한다. Nav2의 액션 노드는 다음의 설계 원칙을 따른다.
-
BtActionNode 기반 클래스: ROS2 액션 클라이언트의 생성, 목표 전송, 결과 수신, 취소 처리를 캡슐화하는 기반 클래스를 제공하여, 파생 클래스에서 목표 생성과 결과 처리만 구현하면 된다.
-
액션 서버 이름의 파라미터화: 액션 서버 이름을 입력 포트로 전달하여, 동일한 노드를 다른 서버에 대해 재사용할 수 있다.
-
표준 인터페이스 사용:
nav2_msgs::action::NavigateToPose,nav2_msgs::action::FollowPath등의 표준화된 액션 인터페이스를 사용한다.
// Nav2 스타일의 재사용 가능한 노드 구조 (개념적)
class NavigateToPoseAction
: public BtActionNode<nav2_msgs::action::NavigateToPose>
{
public:
NavigateToPoseAction(const std::string& name,
const BT::NodeConfig& config,
const BT::RosNodeParams& params)
: BtActionNode(name, config, params) {}
static BT::PortsList providedPorts()
{
return providedBasicPorts({
BT::InputPort<geometry_msgs::msg::PoseStamped>(
"goal", "목표 위치"),
BT::InputPort<std::string>(
"behavior_tree", "",
"사용할 행동 트리 파일")
});
}
void on_tick() override
{
getInput("goal", goal_.pose);
getInput("behavior_tree", goal_.behavior_tree);
}
BT::NodeStatus on_success() override
{
return BT::NodeStatus::SUCCESS;
}
};
이러한 설계에 의해 Nav2의 노드는 다양한 로봇 플랫폼과 임무에서 코드 수정 없이 재사용되고 있다(Macenski et al., 2020).
7. 설계 지침
-
“이 노드를 다른 트리에서 그대로 사용할 수 있는가?”: 노드 설계 시 이 질문을 반복적으로 검증한다.
-
범용적 명칭 사용:
GoToKitchen대신NavigateToPose,GrabRedBox대신PickupObject와 같이 범용적 명칭을 사용한다. -
기본값 제공: 빈번히 사용되는 파라미터에 합리적 기본값을 설정하여, XML에서의 지정을 간소화한다.
-
기반 클래스 활용: 반복되는 패턴(ROS2 액션 클라이언트, 서비스 클라이언트)은 기반 클래스로 추상화하여, 파생 클래스에서 도메인 로직만 구현하게 한다.
-
노드 라이브러리 구축: 검증된 재사용 가능 노드를 라이브러리로 관리하여, 새로운 프로젝트에서 즉시 활용할 수 있게 한다(Faconti, 2022).