Gazebo 설치 및 기본 설정

  1. Gazebo 설치
    Gazebo 시뮬레이터는 다양한 운영 체제에서 실행될 수 있으며, ROS와의 통합을 위해 적절한 버전의 Gazebo를 설치하는 것이 중요하다. ROS 버전에 따라 권장되는 Gazebo 버전이 다를 수 있으며, 설치 전에 이를 확인하는 것이 좋다.

Ubuntu에서의 설치 과정: bash sudo apt-get update sudo apt-get install gazebo11 libgazebo11-dev

  1. 환경 설정
    Gazebo 설치 후, 시뮬레이션을 원활하게 실행하기 위해서는 환경 변수를 설정해야 한다. 다음과 같은 명령어로 ROS와 Gazebo 간의 통합 환경 변수를 설정할 수 있다.

bash source /usr/share/gazebo/setup.sh

이를 통해 ROS와 Gazebo 간의 통합 작업이 가능해진다.

URDF/SDF 파일 불러오기

  1. URDF 파일 불러오기
    로봇 시뮬레이션을 시작하려면 먼저 로봇의 URDF 또는 SDF 파일을 Gazebo에서 불러와야 한다. URDF 파일을 로드하는 방식은 다음과 같다.

launch 파일을 통한 URDF 로드: xml <launch> <param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro --inorder '$(find my_robot_description)/urdf/my_robot.urdf.xacro'" /> <node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" /> <node name="gazebo" pkg="gazebo_ros" type="spawn_model" args="-urdf -param robot_description -model my_robot" /> </launch>

  1. SDF 파일 불러오기
    SDF 파일은 Gazebo에서 직접 로드할 수 있다. SDF를 사용하면 URDF보다 더 세부적인 시뮬레이션 설정이 가능하며, 물리 엔진과의 연동도 더 원활한다.

SDF 파일 실행 방법: bash gazebo my_robot.sdf

기본 로봇 시뮬레이션 실행

  1. Gazebo에서 로봇 스폰
    Gazebo에서 로봇을 스폰하려면 spawn_model 명령어를 사용한다. 이 명령어를 통해 URDF 또는 SDF 파일로 정의된 로봇 모델을 Gazebo 환경 내에서 생성할 수 있다. 예를 들어, ROS 환경에서 다음과 같은 명령어를 실행할 수 있다.

URDF 기반 로봇 스폰: bash rosrun gazebo_ros spawn_model -file $(rospack find my_robot_description)/urdf/my_robot.urdf -urdf -z 1 -model my_robot

  1. 시뮬레이션 실행
    Gazebo에서 로봇이 정상적으로 스폰되면, 시뮬레이션을 시작할 수 있다. 시뮬레이션은 Gazebo의 기본 인터페이스 또는 ROS 명령어를 통해 제어할 수 있다. 다음은 시뮬레이션을 실행하는 간단한 예이다.

bash roslaunch my_robot_gazebo my_robot_world.launch

  1. 시뮬레이션 환경 구성
    로봇이 스폰된 후, 환경을 구성하여 로봇과의 상호작용을 시작할 수 있다. Gazebo에서는 다양한 환경 요소를 추가할 수 있으며, 이를 통해 물리적 상호작용을 시뮬레이션할 수 있다. 로봇의 움직임을 관찰하고 제어하기 위한 GUI 인터페이스를 활용하여 시뮬레이션을 진행할 수 있다.

로봇 시뮬레이션의 초기 상태 설정

  1. 초기 위치와 자세 설정
    로봇의 초기 위치는 URDF 또는 SDF 파일에서 설정할 수 있으며, 이를 통해 Gazebo에서 로봇의 초기 상태를 결정할 수 있다. 초기 위치는 다음과 같은 형식으로 설정할 수 있다.
\mathbf{p}_0 = \begin{bmatrix} x_0 \\ y_0 \\ z_0 \end{bmatrix} \quad \text{및} \quad \mathbf{q}_0 = \begin{bmatrix} q_x \\ q_y \\ q_z \\ q_w \end{bmatrix}

여기서 \mathbf{p}_0는 초기 위치를 나타내고, \mathbf{q}_0는 쿼터니언으로 표현된 초기 자세를 나타낸다. 이와 같은 설정은 URDF/SDF 파일에 직접 포함하거나 launch 파일에서 정의할 수 있다.

  1. 초기 속도 설정
    로봇의 초기 속도는 각 조인트 또는 링크에 대해 정의할 수 있으며, 이는 시뮬레이션 시작 시 로봇의 운동을 제어하는 중요한 요소이다. 초기 속도는 선형 속도 \mathbf{v}_0와 각속도 \boldsymbol{\omega}_0로 정의된다.
\mathbf{v}_0 = \begin{bmatrix} v_x \\ v_y \\ v_z \end{bmatrix} \quad \text{및} \quad \boldsymbol{\omega}_0 = \begin{bmatrix} \omega_x \\ \omega_y \\ \omega_z \end{bmatrix}

선형 속도와 각속도는 Gazebo에서 직접 설정하거나 제어할 수 있으며, 이를 통해 로봇의 초기 상태를 보다 정밀하게 설정할 수 있다.

시뮬레이션 제어 및 관찰

  1. 로봇의 제어
    시뮬레이션에서 로봇을 제어하기 위해 ROS 메시지를 사용하여 조인트의 각도나 속도를 제어할 수 있다. 이를 위해 rostopic 명령어를 사용하여 로봇의 각 조인트에 명령을 보낼 수 있다.

    예를 들어, 조인트의 위치를 제어하려면 다음과 같은 명령어를 사용할 수 있다.

    bash rostopic pub /my_robot/joint1_position_controller/command std_msgs/Float64 "data: 1.0"

  2. 시뮬레이션 속도 조절
    Gazebo에서 시뮬레이션의 속도를 조절할 수 있으며, 이는 물리 엔진의 처리량과 시뮬레이션의 복잡도에 따라 다르게 설정할 수 있다. 속도 조절은 GUI 또는 명령어를 통해 실행할 수 있다. 예를 들어, rqt를 사용하여 시뮬레이션 속도를 시각적으로 제어할 수 있다.

시뮬레이션 결과 확인

  1. 로봇 상태 확인
    Gazebo에서 로봇의 상태는 여러 방식으로 확인할 수 있다. 각 링크 및 조인트의 위치, 속도, 가속도, 조인트 토크 등을 실시간으로 모니터링할 수 있으며, 이를 위한 기본적인 방법은 ROS의 /joint_states 토픽을 구독하는 것이다. 예를 들어, 다음과 같은 명령어를 통해 로봇의 상태를 확인할 수 있다.

    bash rostopic echo /joint_states

    이 명령어를 실행하면, 각 조인트의 현재 위치, 속도, 토크와 같은 정보를 실시간으로 출력한다.

  2. 센서 데이터 확인
    시뮬레이션 중에 로봇에 장착된 센서의 데이터를 확인할 수 있다. Gazebo에서는 카메라, LIDAR, IMU와 같은 다양한 센서를 시뮬레이션할 수 있으며, 각 센서에서 발생하는 데이터를 ROS 토픽을 통해 실시간으로 확인할 수 있다.

    카메라 데이터 확인: bash rostopic echo /camera/rgb/image_raw

    IMU 데이터 확인: bash rostopic echo /imu/data

    이러한 데이터를 통해 로봇이 시뮬레이션 환경 내에서 인식하는 정보를 확인할 수 있으며, 센서 데이터를 기반으로 로봇의 제어 알고리즘을 테스트할 수 있다.

시뮬레이션 도중 실시간 제어

  1. 실시간 제어 명령
    로봇 시뮬레이션이 실행되는 동안 실시간으로 제어 명령을 보낼 수 있다. 예를 들어, 로봇의 이동을 제어하거나 조인트의 위치를 변경할 수 있다. ROS 토픽을 통해 제어 명령을 전송하여 시뮬레이션 중에도 로봇의 동작을 조정할 수 있다.

    예시: 로봇 이동 명령: bash rostopic pub /cmd_vel geometry_msgs/Twist "linear: x: 0.5 y: 0.0 z: 0.0 angular: x: 0.0 y: 0.0 z: 0.0"

    이 명령어는 로봇을 직선으로 0.5 m/s의 속도로 움직이도록 설정하는 예이다.

  2. 실시간 시각화
    Gazebo의 GUI에서 로봇의 상태를 실시간으로 시각화할 수 있다. 각 링크와 조인트의 움직임, 로봇과 환경 간의 상호작용, 센서 데이터 등은 Gazebo의 시각적 인터페이스를 통해 관찰할 수 있으며, 이를 통해 로봇의 동작을 직관적으로 확인할 수 있다.

    또한, ROS 기반의 rviz 도구를 사용하여 시뮬레이션 중인 로봇의 상태를 시각화할 수 있다. rviz에서는 로봇의 위치, 조인트 상태, 센서 데이터를 실시간으로 시각화할 수 있으며, 이를 통해 시뮬레이션의 진행 상황을 모니터링할 수 있다.

로봇 시뮬레이션 종료 및 데이터 저장

  1. 시뮬레이션 종료
    시뮬레이션을 종료하려면 Gazebo GUI에서 직접 종료할 수 있으며, ROS 명령어를 통해서도 시뮬레이션을 종료할 수 있다.

    ROS를 통해 Gazebo 종료: bash rosnode kill /gazebo

  2. 시뮬레이션 데이터 저장
    시뮬레이션 중 발생한 데이터는 로그 파일로 저장할 수 있으며, 이를 통해 후속 분석에 활용할 수 있다. ROS에서는 rosbag을 사용하여 시뮬레이션 중 발생한 모든 데이터를 기록할 수 있다.

    로봇 상태와 센서 데이터 기록: bash rosbag record -a

    이 명령어는 모든 ROS 토픽을 기록하여 후속 분석을 위한 데이터를 저장한다. 기록된 bag 파일은 나중에 분석하거나 다시 시뮬레이션을 재생할 때 사용할 수 있다.