Unity로 가제보 기능 구현

Unity는 강력한 그래픽 엔진을 바탕으로 다양한 기능을 제공하며, 이를 통해 로봇 시뮬레이션 환경을 구축할 수 있다. 반면, Gazebo는 로봇 시뮬레이션에 특화된 물리 엔진을 가지고 있어 실제 로봇의 물리적 특성을 정밀하게 시뮬레이션할 수 있다. 이 장에서는 Unity에서 Gazebo의 주요 기능들을 구현하는 방법을 다루겠다.

물리 엔진의 차이점과 구현 방법

Gazebo는 다양한 물리 엔진을 지원하며, ODE, Bullet, DART와 같은 엔진을 활용하여 현실감 있는 물리 시뮬레이션을 제공한다. Unity는 기본적으로 PhysX 물리 엔진을 사용한다. 이 두 엔진 간에는 차이가 존재하며, Gazebo의 물리적 시뮬레이션 기능을 Unity에서 구현하기 위해서는 몇 가지 고려 사항이 있다.

물리 엔진 선택: Unity의 기본 물리 엔진인 PhysX는 주로 게임 엔진으로 사용되지만, 로봇 시뮬레이션에도 충분히 사용할 수 있다. 그러나 Gazebo의 특정 기능을 재현하기 위해서는 Unity에서 추가적인 스크립팅이 필요하다. 예를 들어, 충돌 처리나 링크 간의 관성 적용 등을 Gazebo와 유사하게 구현해야 한다.

물리 엔진에서의 충돌 처리

Gazebo에서의 충돌 모델은 매우 정밀하며, 충돌 처리에 있어서는 특히 로봇의 다양한 링크와 센서가 상호작용하는 시뮬레이션이 가능한다. 이를 Unity에서 구현하기 위해서는 각 로봇의 파츠에 대해 충돌 메쉬를 적용하고, 적절한 물리적 속성을 부여해야 한다. Unity에서 물리적 충돌을 관리하는 방법은 Rigidbody와 Collider의 조합을 통해 이루어진다.

Unity에서 Rigidbody는 물체에 물리적 특성을 부여하며, 물리적 계산에 의한 이동 및 회전을 처리한다.
Collider는 객체의 충돌 영역을 정의한다. Gazebo와 유사하게 Unity에서도 Box Collider, Sphere Collider 등 다양한 형태의 충돌 메쉬를 설정할 수 있다.

URDF 파일 변환 및 모델링

Gazebo에서는 URDF(Universal Robot Description Format) 파일을 통해 로봇의 구조와 링크, 조인트 등을 정의한다. Unity에서는 이러한 파일 형식을 직접 지원하지 않지만, URDF를 Unity에 적용하기 위해서는 추가적인 변환 과정이 필요하다.

URDF에서 Unity로 변환 과정

URDF는 로봇의 물리적 구성 요소와 그 상호작용을 정의하는 XML 기반 파일이다. 이를 Unity에서 사용하기 위해서는 URDF 데이터를 Unity의 Mesh 및 물리 엔진 요소로 변환해야 한다. 다음은 URDF 변환 과정을 설명한다.

URDF 파일 분석: URDF 파일을 읽고, 각 링크와 조인트의 정보를 추출한다. 각 링크에 대해 물리적 속성(질량, 관성 모멘트 등)과 충돌 메쉬를 Unity에서 표현할 수 있는 형식으로 변환한다.

URDF 파일에서 정의된 링크의 질량 $\mathbf{m}$ , 관성 텐서 $\mathbf{I}$ , 위치 $\mathbf{p}$ 는 Unity의 Rigidbody에 적용될 수 있다. - 질량: URDF에서 정의된 질량을 Unity의 Rigidbody에 적용 - 관성 모멘트: URDF의 관성 텐서를 Unity에서 표현하기 위해서는 Rigidbody의 inertiaTensor 속성을 사용

$\mathbf{I} = \begin{pmatrix} I_{xx} & I_{xy} & I_{xz} \\ I_{yx} & I_{yy} & I_{yz} \\ I_{zx} & I_{zy} & I_{zz} \end{pmatrix}$

링크와 조인트 설정: URDF에서 링크는 Unity의 GameObject로, 조인트는 Unity의 HingeJoint 또는 ConfigurableJoint로 매핑된다. Gazebo에서의 자유도(DOF)를 Unity의 조인트 설정으로 구현할 수 있다.

Gazebo에서 조인트의 자유도는 $DOF$ 로 표현되며, Unity에서 이를 구현하기 위해서는 ConfigurableJoint를 사용하여 로봇의 각 조인트가 자유롭게 움직일 수 있도록 설정한다. Unity의 조인트 설정에서 자유도는 축(axis)과 함께 제한 설정(limit)을 통해 표현된다.

URDF의 속성 적용: 각 링크에 대해 URDF에서 정의된 질량 $\mathbf{m}$ 및 관성 모멘트 $\mathbf{I}$ 를 Unity의 Rigidbody에 반영한다. 이를 통해 Gazebo와 유사한 물리적 반응을 구현할 수 있다.

로봇의 조인트 설정

Gazebo에서 각 로봇 조인트는 다양한 동작을 할 수 있는 자유도를 가지며, 이를 Unity에서 구현하려면 ConfigurableJoint나 HingeJoint 등을 활용해야 한다. Gazebo에서는 각 조인트의 회전 및 이동을 정의할 수 있는 파라미터들이 세밀하게 조정된다. Unity에서는 이러한 동작을 구현하기 위해 조인트의 속성들을 직접적으로 설정해야 한다.

ConfigurableJoint를 이용한 조인트 구현

ConfigurableJoint는 다양한 방식으로 로봇 조인트의 움직임을 제어할 수 있는 강력한 도구이다. 특히 다자유도(DOF)를 가진 로봇 조인트의 동작을 정확히 시뮬레이션하기 위해서는 이 조인트를 활용하여 축(axis)과 제한(limit)을 세부적으로 설정할 수 있다.

축 설정: 조인트의 회전 축과 이동 축을 설정하여 URDF에서 정의된 조인트의 움직임을 구현한다. 예를 들어, 회전 축은 HingeJoint로도 구현할 수 있지만, 이동 축과 결합된 복잡한 조인트는 ConfigurableJoint가 필요하다.

조인트의 회전 각도는 각 축에 대해 설정된 값을 기반으로 다음과 같이 정의된다.

$\mathbf{\theta} = \begin{pmatrix} \theta_x \\ \theta_y \\ \theta_z \end{pmatrix}$

URDF에서 정의된 회전 각도를 Unity에서 각 축으로 설정하는 방법은 axis 속성을 통해 이루어진다.

제한 설정: 조인트의 회전 및 이동 범위를 제한할 수 있다. URDF에서는 이러한 제한 값이 최대/최소 값으로 정의되며, Unity에서도 동일하게 angularXLimit, angularYLimit, angularZLimit 속성을 사용하여 구현할 수 있다.

로봇의 동역학 구현

Gazebo는 URDF에 정의된 로봇의 동역학을 물리 엔진을 통해 정밀하게 처리한다. Unity에서도 이와 비슷한 방식으로 로봇의 동역학을 구현할 수 있지만, 이를 위해서는 물리 엔진의 설정과 함께 수동적인 스크립트가 필요할 수 있다.

관성 모멘트 적용: 각 링크의 관성 모멘트를 정확히 반영하여 로봇이 물리적으로 자연스러운 움직임을 가질 수 있도록 해야 한다. 관성 모멘트는 다음과 같은 수식을 통해 표현된다.

$\mathbf{I} = \begin{pmatrix} I_{xx} & I_{xy} & I_{xz} \\ I_{yx} & I_{yy} & I_{yz} \\ I_{zx} & I_{zy} & I_{zz} \end{pmatrix}$

Unity에서는 Rigidbody의 inertiaTensor를 설정하여 URDF에서 정의된 관성 모멘트를 반영할 수 있다. 이를 통해 로봇의 동역학적 움직임을 더욱 현실적으로 시뮬레이션할 수 있다.

중력과 마찰 적용: Gazebo에서는 중력과 마찰이 물체의 움직임에 크게 영향을 미치며, Unity에서도 물리 엔진을 통해 이러한 요소들을 구현할 수 있다. 중력은 기본적으로 Unity에서 Rigidbody에 적용되며, URDF에서 정의된 마찰력은 Unity의 Physics Material을 사용하여 구현할 수 있다.

로봇 움직임의 스크립팅 구현

Gazebo에서는 로봇의 움직임을 제어하기 위해 제어 스크립트나 ROS와의 연동이 필요하다. Unity에서는 C#을 활용하여 로봇의 동작을 제어할 수 있으며, 이를 통해 Gazebo에서 구현하는 것과 같은 복잡한 로봇 제어 시스템을 구성할 수 있다.

C#을 이용한 로봇 움직임 제어

C# 스크립트는 Unity에서 로봇의 각종 동작을 제어하는 데 사용되며, 이를 통해 로봇의 이동 경로, 회전, 센서 데이터 수집 등을 제어할 수 있다. Gazebo의 동작 제어와 유사하게 Unity에서도 실시간으로 로봇의 움직임을 제어할 수 있다.

로봇 이동: 로봇의 이동은 기본적으로 Rigidbody 컴포넌트를 통해 제어된다. 이를 위해 Rigidbody의 velocity와 angularVelocity를 설정하여 로봇의 직선 이동 및 회전을 구현할 수 있다.

예를 들어, 로봇이 일정한 속도로 전진하는 경우 다음과 같은 코드를 사용할 수 있다.

csharp rigidbody.velocity = transform.forward * speed;

조인트 회전 제어: 각 조인트의 회전 각도는 ConfigurableJoint의 targetRotation 속성을 사용하여 제어할 수 있다. 이를 통해 Gazebo와 유사한 방식으로 로봇의 조인트 움직임을 설정할 수 있다.

조인트 회전은 다음 수식을 통해 각 축에 대해 제어된다.

$\mathbf{\theta_j} = \mathbf{\theta_{init}} + \mathbf{\dot{\theta}} \Delta t$

여기서 $\mathbf{\theta_{init}}$ 는 초기 회전 각도, $\mathbf{\dot{\theta}}$ 는 각속도, $\Delta t$ 는 시간 변화량을 나타낸다.

센서 시뮬레이션 및 데이터 생성

Gazebo에서는 다양한 로봇 센서(LiDAR, 카메라, IMU 등)를 정밀하게 시뮬레이션할 수 있으며, Unity에서도 이러한 센서들을 구현하기 위해서는 적절한 스크립팅과 시각적 효과를 조합해야 한다. Gazebo의 센서 데이터 생성을 Unity에서 구현하려면, Unity의 카메라 시스템 및 스크립트를 활용하여 다양한 환경 데이터를 생성할 수 있다.

카메라 시뮬레이션

Unity에서 카메라를 활용하여 Gazebo의 카메라 센서를 대체할 수 있다. Unity의 카메라는 3D 환경의 이미지를 렌더링할 뿐 아니라, 그 데이터를 실시간으로 처리할 수 있다.

Unity 카메라 설정: Unity에서 카메라를 배치하여 로봇의 시야를 설정하고, 카메라 렌더링 데이터를 실시간으로 처리할 수 있다. 카메라의 렌더링 데이터를 RGB 값으로 저장하거나, 이를 추가적으로 처리하여 다양한 센서 데이터를 얻을 수 있다.

카메라의 FOV(Field of View)는 카메라의 관측 범위를 나타내며, 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다.

$FOV = 2 \cdot \arctan \left( \frac{h}{2f} \right)$

여기서 $h$ 는 카메라의 세로 길이, $f$ 는 초점 거리이다.

데이터 처리: Gazebo에서 생성되는 카메라 데이터를 Unity에서 처리하는 방식으로는 Texture2D를 활용할 수 있다. 카메라 렌더링 데이터를 픽셀 단위로 처리하여 센서 데이터를 생성하고, 이 데이터를 로봇 제어 알고리즘에 활용할 수 있다.

LiDAR 시뮬레이션

Gazebo에서 LiDAR 센서는 3D 환경의 깊이 정보를 제공하는 중요한 센서이다. Unity에서도 이러한 LiDAR 시뮬레이션을 구현하기 위해서는 Raycasting 기법을 활용하여 주변 환경의 거리 데이터를 수집할 수 있다.

Raycasting을 이용한 거리 데이터 수집: Unity의 Raycasting 기능은 특정 방향으로 가상의 광선을 발사하여 그 광선이 충돌하는 지점까지의 거리를 측정하는 방식으로 구현된다. LiDAR와 유사하게 로봇 주변의 3D 데이터를 수집할 수 있으며, 이를 통해 주변 환경에 대한 깊이 정보를 시뮬레이션할 수 있다.

Raycasting을 통해 측정한 거리는 다음과 같이 정의된다.

$d = \|\mathbf{p_1} - \mathbf{p_2}\|$

여기서 $\mathbf{p_1}$ 은 Ray가 발사된 위치, $\mathbf{p_2}$ 는 충돌 지점의 좌표이며, $d$ 는 두 지점 간의 거리이다.

LiDAR 데이터 시각화: 수집된 LiDAR 데이터를 3D 그래프로 시각화하거나, 로봇의 경로 계획에 사용할 수 있다. Unity에서는 이러한 데이터를 실시간으로 업데이트하며, 이를 통해 로봇의 움직임을 제어할 수 있다.

IMU 센서 시뮬레이션

IMU(Inertial Measurement Unit)는 로봇의 가속도와 각속도를 측정하는 중요한 센서이다. Gazebo는 IMU 데이터를 제공하며, Unity에서는 Rigidbody의 속성과 Transform 데이터를 활용하여 유사한 데이터를 생성할 수 있다.

가속도 데이터 생성: Rigidbody의 velocity를 시간 변화에 따라 측정하여 가속도를 계산할 수 있다. Unity에서 이를 구현하기 위해서는 매 프레임마다 속도의 변화를 계산하여 가속도 데이터를 얻는다.

가속도는 다음과 같은 수식을 통해 계산된다.

$\mathbf{a} = \frac{\mathbf{v_2} - \mathbf{v_1}}{\Delta t}$

여기서 $\mathbf{v_1}$ 은 이전 프레임에서의 속도, $\mathbf{v_2}$ 는 현재 프레임에서의 속도, $\Delta t$ 는 두 프레임 간의 시간 차이이다.

각속도 데이터 생성: 로봇의 회전 각속도는 Transform 컴포넌트를 활용하여 측정할 수 있다. Unity에서 angularVelocity 속성을 사용하여 로봇의 각속도를 계산하고 이를 IMU 데이터로 활용할 수 있다.

각속도는 다음과 같이 계산된다.

$\mathbf{\omega} = \frac{\mathbf{\theta_2} - \mathbf{\theta_1}}{\Delta t}$

여기서 $\mathbf{\theta_1}$ 과 $\mathbf{\theta_2}$ 는 각도의 변화량, $\Delta t$ 는 시간 간격이다.

Gazebo의 ROS 통합 기능 구현

Gazebo는 ROS(Robot Operating System)와의 연동을 통해 강력한 로봇 시뮬레이션 환경을 제공한다. Unity에서 ROS 기능을 구현하려면 외부 플러그인이나 네트워크 통신을 사용해야 한다. Unity에서는 다양한 방법으로 ROS와의 통신을 구현할 수 있으며, 이를 통해 Gazebo에서의 ROS 연동 기능을 대체할 수 있다.

ROS-Unity 통신 구현

ROS는 TCP 또는 UDP 프로토콜을 통해 메시지를 주고받을 수 있으며, Unity에서는 C# 스크립트를 통해 이를 구현할 수 있다. ROS 메시지를 주고받기 위한 네트워크 통신을 설정하고, 이를 통해 로봇의 상태 정보를 교환할 수 있다.

TCP 통신 설정: ROS의 메시지 구조에 맞게 Unity에서 TCP 통신을 설정한다. C#의 TcpClient 클래스와 NetworkStream을 사용하여 ROS 노드와 데이터를 주고받을 수 있다.
ROS 메시지 처리: Unity에서 ROS 메시지를 받아들이기 위해, ROS의 메시지 형식에 맞는 데이터를 처리하는 스크립트를 작성한다. 예를 들어, ROS의 geometry_msgs/Twist 메시지를 받아 로봇의 속도를 제어하거나, sensor_msgs/Imu 메시지를 받아 IMU 데이터를 활용할 수 있다.

ROS 메시지 송수신 예제

다음은 Unity에서 ROS와 통신하여 로봇의 속도를 제어하는 간단한 예제 코드이다.

TcpClient client = new TcpClient("localhost", 9090);
NetworkStream stream = client.GetStream();

// ROS Twist 메시지 전송
byte[] message = Encoding.ASCII.GetBytes(twistMessage);
stream.Write(message, 0, message.Length);

이 코드를 통해 Unity에서 ROS와의 통신을 설정하고, Gazebo에서와 유사한 방식으로 데이터를 주고받을 수 있다.