ROS와 Unity의 통신 방법 - 소프트웨어 융합

로봇 시뮬레이션에서 ROS(Robot Operating System)와 Unity 간의 원활한 통신은 필수적이다. 이를 위해 다양한 통신 방법과 브리지를 활용할 수 있으며, 이 절에서는 주요 통신 방법과 그 구현 방식을 상세히 다룬다.

ROS 브리지 개요

ROS 브리지는 ROS 네트워크와 Unity 사이의 통신을 중개하는 역할을 한다. 이를 통해 두 시스템 간에 메시지를 주고받을 수 있으며, 로봇의 상태 정보, 센서 데이터, 명령 등을 실시간으로 교환할 수 있다. 주요 ROS 브리지로는 rosbridge_suite와 ROS# 등이 있다.

rosbridge_suite를 이용한 통신

rosbridge_suite는 ROS 메시지를 JSON 형식으로 변환하여 웹 소켓을 통해 전송할 수 있게 해주는 도구이다. 이를 통해 Unity는 웹 소켓 클라이언트를 사용하여 ROS와 통신할 수 있다.

rosbridge 설치 및 설정

rosbridge_suite 설치

bash sudo apt-get install ros-<distro>-rosbridge-suite

rosbridge 실행

bash roslaunch rosbridge_server rosbridge_websocket.launch

기본적으로 rosbridge_websocket은 포트 9090에서 웹 소켓 서버를 실행한다.

Unity에서 rosbridge와 연결

Unity에서는 웹 소켓 클라이언트를 사용하여 rosbridge_websocket 서버에 연결할 수 있다. 이를 위해 WebSocketSharp과 같은 라이브러리를 활용할 수 있다.

using WebSocketSharp;
using Newtonsoft.Json.Linq;

public class RosBridgeConnector : MonoBehaviour
{
    private WebSocket ws;

    void Start()
    {
        ws = new WebSocket("ws://localhost:9090");
        ws.OnMessage += (sender, e) =>
        {
            JObject message = JObject.Parse(e.Data);
            // 메시지 처리 로직
        };
        ws.Connect();
    }

    void Publish(string topic, JObject msg)
    {
        var publishMsg = new JObject
        {
            { "op", "publish" },
            { "topic", topic },
            { "msg", msg }
        };
        ws.Send(publishMsg.ToString());
    }

    void OnDestroy()
    {
        ws.Close();
    }
}

위의 예제에서는 Unity가 rosbridge_websocket 서버에 연결하고, 메시지를 발행하는 기본적인 구조를 보여준다.

ROS#을 이용한 통신

ROS#은 Unity와 ROS 간의 통신을 보다 쉽게 구현할 수 있도록 도와주는 오픈 소스 라이브러리이다. ROS#은 C#으로 작성되었으며, ROS 메시지와 서비스와의 상호작용을 간편하게 처리할 수 있는 다양한 기능을 제공한다.

ROS# 설치 및 설정

ROS# 클론

bash git clone https://github.com/siemens/ros-sharp.git

Unity 프로젝트에 ROS# 추가

Unity 프로젝트의 Assets 폴더에 ros-sharp 폴더를 복사한다.

ROS# 빌드

Unity 내에서 ros-sharp의 Build 스크립트를 실행하여 필요한 DLL 파일을 생성한다.

ROSConnector 설정

Unity에서 ROS와의 연결을 관리하는 주요 컴포넌트는 ROSConnector이다. 이를 통해 ROS 네트워크와의 통신을 설정할 수 있다.

using RosSharp.RosBridgeClient;

public class RosConnectorSetup : MonoBehaviour
{
    public string RosBridgeServerUrl = "ws://localhost:9090";

    void Start()
    {
        ROSConnector rosConnector = GetComponent<ROSConnector>();
        rosConnector.RosBridgeServerUrl = RosBridgeServerUrl;
        rosConnector.Connect();
    }
}

ROSConnector 컴포넌트를 Unity 오브젝트에 추가하고, ROS 브리지 서버의 URL을 설정한 후 연결을 시작한다.

메시지 타입 및 직렬화

ROS와 Unity 간의 통신에서 중요한 부분은 메시지 타입과 그 직렬화 방식이다. ROS 메시지는 std_msgs, sensor_msgs 등 다양한 타입이 있으며, Unity에서는 이들을 C# 객체로 변환하여 사용한다.

메시지 직렬화 예제

using RosSharp.RosBridgeClient.MessageTypes.Std;

public class StringPublisher : Publisher<std_msgs.String>
{
    protected override void Start()
    {
        base.Start();
    }

    public void PublishMessage(string message)
    {
        std_msgs.String rosMessage = new std_msgs.String
        {
            data = message
        };
        Publish(rosMessage);
    }
}

위의 예제는 ROS의 std_msgs/String 메시지를 Unity에서 발행하는 방법을 보여준다. Publisher 클래스를 상속받아 특정 메시지 타입을 처리할 수 있다.

서비스와 액션의 통신

ROS에서는 서비스와 액션을 통해 요청-응답 및 비동기 작업을 처리할 수 있다. Unity에서도 이를 지원하여 보다 복잡한 상호작용을 구현할 수 있다.

서비스 호출 예제

using RosSharp.RosBridgeClient;
using RosSharp.RosBridgeClient.MessageTypes.Std;

public class AddTwoIntsClient : MonoBehaviour
{
    private ServiceProvider serviceProvider;

    void Start()
    {
        serviceProvider = GetComponent<ServiceProvider>();
    }

    public void CallAddService(int a, int b)
    {
        AddTwoIntsRequest request = new AddTwoIntsRequest
        {
            a = a,
            b = b
        };
        serviceProvider.CallService<AddTwoIntsResponse>("add_two_ints", request, OnServiceResponse);
    }

    private void OnServiceResponse(AddTwoIntsResponse response)
    {
        Debug.Log("Sum: " + response.sum);
    }
}

이 예제에서는 ROS의 add_two_ints 서비스를 호출하고, 응답을 처리하는 방법을 보여준다.

액션(Action) 통신

ROS에서는 액션을 사용하여 장시간 실행되는 작업을 처리할 수 있다. 액션은 목표(goal)을 설정하고, 진행 중인 상태(status)를 확인하며, 결과(result)를 수신할 수 있는 비동기적인 통신 방식이다. Unity에서도 ROS 액션과 상호작용할 수 있다.

액션 클라이언트 설정 예제

using RosSharp.RosBridgeClient;
using RosSharp.RosBridgeClient.MessageTypes.Actionlib;
using RosSharp.RosBridgeClient.MessageTypes.MoveBase;

public class MoveBaseActionClient : MonoBehaviour
{
    private ActionClient actionClient;

    void Start()
    {
        actionClient = GetComponent<ActionClient>();
        actionClient.Connect();
    }

    public void SendMoveBaseGoal(float x, float y, float theta)
    {
        MoveBaseGoal goal = new MoveBaseGoal
        {
            target_pose = new geometry_msgs.PoseStamped
            {
                header = new std_msgs.Header { frame_id = "map" },
                pose = new geometry_msgs.Pose
                {
                    position = new geometry_msgs.Point { x = x, y = y, z = 0 },
                    orientation = new geometry_msgs.Quaternion { z = Mathf.Sin(theta / 2), w = Mathf.Cos(theta / 2) }
                }
            }
        };
        actionClient.SendGoal(goal, OnGoalFeedback, OnGoalResult);
    }

    private void OnGoalFeedback(ActionlibFeedback<MoveBaseFeedback> feedback)
    {
        // 피드백 처리 로직
    }

    private void OnGoalResult(ActionlibResult<MoveBaseResult> result)
    {
        Debug.Log("MoveBase Action Result: " + result.result);
    }
}

이 예제에서는 MoveBase 액션을 사용하여 목표 위치를 설정하고, 피드백과 결과를 처리하는 방법을 보여준다.

연결 상태 관리

ROS와 Unity 간의 통신에서 안정적인 연결 상태를 유지하는 것은 중요하다. 연결이 끊어졌을 때 자동으로 재연결을 시도하거나, 연결 상태를 지속적으로 모니터링하여 필요한 조치를 취할 수 있어야 한다.

연결 상태 모니터링 예제

using RosSharp.RosBridgeClient;

public class ConnectionMonitor : MonoBehaviour
{
    private ROSConnector rosConnector;

    void Start()
    {
        rosConnector = GetComponent<ROSConnector>();
    }

    void Update()
    {
        if (!rosConnector.IsConnected)
        {
            Debug.LogWarning("ROS Connector is not connected. Attempting to reconnect...");
            rosConnector.Connect();
        }
    }
}

위의 스크립트는 연결 상태를 지속적으로 확인하고, 연결이 끊어진 경우 재연결을 시도한다.

데이터 동기화

ROS와 Unity 간에 데이터를 동기화하는 것은 시뮬레이션의 정확성과 실시간성에 영향을 미친다. 데이터의 일관성을 유지하기 위해 동기화 메커니즘을 구현하는 것이 중요하다.

타임스탬프 사용

메시지의 타임스탬프를 사용하여 데이터 동기화를 관리할 수 있다.

public void HandleSensorData(SensorData msg)
{
    float timestamp = msg.header.stamp.sec + msg.header.stamp.nsec * 1e-9f;
    // 현재 시간과 메시지 타임스탬프를 비교하여 동기화
}

보안 고려사항

ROS와 Unity 간의 통신에서 보안을 고려하는 것도 중요하다. 데이터 전송 시 암호화를 적용하거나, 인증 메커니즘을 구현하여 보안을 강화할 수 있다.

SSL/TLS를 통한 암호화

웹 소켓 연결을 SSL/TLS로 설정하여 데이터를 암호화할 수 있다.

ws = new WebSocket("wss://localhost:9090");

이렇게 하면 데이터 전송 시 암호화가 적용된다.

최적화 기법

통신의 효율성을 높이기 위해 메시지 전송 빈도를 조절하거나, 필요한 데이터만 전송하도록 최적화할 수 있다.

메시지 전송 빈도 조절

void Update()
{
    if (Time.time > nextPublishTime)
    {
        PublishSensorData();
        nextPublishTime += publishInterval;
    }
}

이 예제에서는 일정 간격으로만 메시지를 전송하여 네트워크 부하를 줄이다.

오류 처리 및 재시도 메커니즘

통신 과정에서 발생할 수 있는 오류를 효과적으로 처리하고, 필요 시 재시도하는 메커니즘을 구현하는 것이 중요하다.

오류 처리 예제

void Start()
{
    try
    {
        ws.Connect();
    }
    catch (Exception ex)
    {
        Debug.LogError("WebSocket connection failed: " + ex.Message);
        RetryConnection();
    }
}

void RetryConnection()
{
    Invoke("Start", 5.0f); // 5초 후 재시도
}

이 예제에서는 WebSocket 연결 시 오류가 발생하면 일정 시간 후 재연결을 시도한다.