ROS2 Lifecycle Nodes (생명주기 노드)

상태 전환 및 상태 관리

ROS2의 생명주기 노드는 로봇 애플리케이션에서 노드의 상태 전환과 상태 관리를 보다 명확하게 하기 위한 메커니즘을 제공한다. 생명주기 노드는 각 상태에서 특정 작업을 수행할 수 있으며, 상태 간 전환을 제어할 수 있어 실시간 시스템에서 중요한 기능이다.

생명주기 노드의 상태 전환은 크게 아래와 같은 순서를 따른다:

Unconfigured: 노드가 아직 구성되지 않은 상태이다. 이 상태에서는 노드가 초기화되었지만 실행 가능한 상태는 아니다.
Inactive: 노드가 구성되었지만 활성화되지 않은 상태이다. 노드는 아직 외부와 상호작용할 준비가 되지 않았다. 이 상태에서는 서비스 요청 등을 받을 수 있지만, 퍼블리셔나 서브스크라이버가 활성화되지 않은 상태이다.
Active: 노드가 활성화되어 외부와 상호작용할 준비가 된 상태이다. 퍼블리셔와 서브스크라이버, 타이머 등이 실행 중이며, 노드가 모든 작업을 수행할 수 있다.
Finalized: 노드가 종료된 상태이다. 더 이상 실행되지 않으며, 이 상태에서는 다시 다른 상태로 전환할 수 없다.

상태 전환은 주로 서비스 호출을 통해 이루어지며, ROS2의 생명주기 노드는 각 상태 전환에 따라 특정 콜백을 정의할 수 있다. 예를 들어, 노드를 활성화할 때 초기화를 수행하거나, 비활성화할 때 자원을 해제하는 작업을 포함할 수 있다.

상태 전환 과정에서 고려해야 할 주요 사항은 다음과 같다.

상태 간 전환의 타당성: 상태 전환은 반드시 논리적이어야 하며, 허용되지 않는 상태 전환을 시도하면 오류가 발생할 수 있다. 예를 들어, 노드가 Unconfigured 상태에서 곧바로 Active 상태로 전환할 수 없다. 반드시 Inactive 상태를 거쳐야 한다.
서비스를 통한 상태 전환: 노드의 상태 전환은 기본적으로 ROS2의 서비스 호출을 통해 이루어진다. 예를 들어, configure 또는 activate 서비스가 호출되면, 노드는 설정된 콜백을 통해 상태 전환을 처리하게 된다. 이러한 서비스는 다음과 같이 정의된다:

ros2 lifecycle set <node_name> configure
ros2 lifecycle set <node_name> activate

이 상태 전환을 관리하기 위해 생명주기 노드는 아래와 같은 상태 전환 다이어그램을 따른다:

stateDiagram-v2 [*] --> unconfigured unconfigured --> inactive : configure() inactive --> active : activate() active --> inactive : deactivate() inactive --> finalized : shutdown() active --> finalized : shutdown() finalized --> [*]

이 상태 전환 다이어그램에서 볼 수 있듯이, 생명주기 노드는 명확한 상태 전환 흐름을 따르며, 각 상태에서 특정 작업을 수행할 수 있도록 설계되어 있다.

상태 전환 시의 콜백 처리

생명주기 노드에서는 각 상태 전환 시 콜백을 처리할 수 있다. 예를 들어, 노드를 Inactive 상태에서 Active 상태로 전환할 때 필요한 초기화를 수행하고, 다시 Inactive 상태로 전환할 때 리소스를 해제하는 작업을 포함할 수 있다.

콜백의 일반적인 형태는 다음과 같다:

on_configure(): Unconfigured 상태에서 Inactive 상태로 전환될 때 호출된다. 이 시점에서 노드는 모든 초기 설정을 수행하고 준비 상태가 된다.
on_activate(): Inactive 상태에서 Active 상태로 전환될 때 호출된다. 이 시점에서 노드는 퍼블리셔와 서브스크라이버 등의 실행을 시작한다.
on_deactivate(): Active 상태에서 Inactive 상태로 전환될 때 호출된다. 퍼블리셔 및 서브스크라이버를 중지하고, 리소스를 해제하는 등의 작업이 이뤄진다.
on_cleanup(): Inactive 상태에서 Unconfigured 상태로 전환될 때 호출된다. 노드는 완전한 종료 전에 모든 설정을 정리한다.
on_shutdown(): 노드가 종료될 때 호출된다. 노드의 상태가 Finalized로 전환되며, 모든 리소스가 해제된다.

상태 전환에 대한 처리 예제는 다음과 같다:

rcl_lifecycle_transition_key_t on_configure() {
    RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "Configuring...");
    // 초기화 작업 수행
    return RCL_RET_OK;
}

rcl_lifecycle_transition_key_t on_activate() {
    RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "Activating...");
    // 퍼블리셔/서브스크라이버 활성화
    return RCL_RET_OK;
}

rcl_lifecycle_transition_key_t on_deactivate() {
    RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "Deactivating...");
    // 퍼블리셔/서브스크라이버 비활성화
    return RCL_RET_OK;
}

rcl_lifecycle_transition_key_t on_cleanup() {
    RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "Cleaning up...");
    // 리소스 정리
    return RCL_RET_OK;
}

rcl_lifecycle_transition_key_t on_shutdown() {
    RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "Shutting down...");
    // 시스템 종료 작업
    return RCL_RET_OK;
}

콜백 함수는 상태 전환 시마다 호출되며, 필요한 작업을 수행하고 상태 전환이 정상적으로 완료되었는지 여부를 반환한다. 상태 전환이 실패할 경우, 노드는 다음 상태로 전환되지 않고 현재 상태에 머무르게 된다.

상태 전환의 성공과 실패

생명주기 노드에서 상태 전환은 성공과 실패에 따라 다르게 처리된다. 상태 전환이 성공하면 해당 콜백 함수가 정상적으로 완료되고 다음 상태로 전환된다. 하지만 전환이 실패할 경우, 노드는 이전 상태로 돌아가거나 오류 상태로 전환될 수 있다.

상태 전환 성공 조건

각 상태 전환이 성공하기 위한 조건은 상황에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 노드를 Active 상태로 전환하려면 퍼블리셔, 서브스크라이버가 모두 정상적으로 실행될 수 있어야 하며, 이를 위해 모든 리소스가 초기화되어야 한다. 또한, 상태 전환 성공 여부는 콜백 함수의 반환값에 따라 결정된다. 상태 전환이 성공하면 RCL_RET_OK를 반환하며, 실패할 경우 다른 반환값을 반환하여 상태 전환 실패를 알린다.

상태 전환이 성공했을 때는 노드가 해당 상태에서 계속 실행되며, 외부와 상호작용할 수 있는 준비 상태가 된다.

상태 전환 실패 처리

상태 전환이 실패하면, 노드는 Inactive 상태나 Unconfigured 상태로 되돌아갈 수 있다. 예를 들어, Active 상태로의 전환이 실패하면, 노드는 다시 Inactive 상태로 전환되고 리소스가 해제된다. 상태 전환이 실패할 때는 아래와 같은 절차를 따른다:

현재 상태로 되돌아가거나 이전 상태로 복구한다.
상태 전환 실패 원인을 로그로 기록한다.
시스템이 계속 실행될 수 있도록 에러 처리를 한다.

실패 처리를 위한 코드는 다음과 같은 형태로 작성할 수 있다:

rcl_lifecycle_transition_key_t on_activate() {
    RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "Activating...");

    if (/* 퍼블리셔나 서브스크라이버가 정상적으로 시작되지 않았을 때 */) {
        RCLCPP_ERROR(this->get_logger(), "Activation failed");
        return RCL_RET_ERROR;
    }

    return RCL_RET_OK;
}

위 코드에서 노드의 활성화가 실패할 경우, RCL_RET_ERROR를 반환하여 상태 전환이 정상적으로 이루어지지 않았음을 알린다.

상태 전환 서비스 호출

ROS2 생명주기 노드의 상태 전환은 기본적으로 서비스 호출을 통해 이루어진다. 이 서비스 호출은 lifecycle_msgs 패키지에서 제공되며, 명령어를 사용하여 노드의 상태 전환을 제어할 수 있다.

서비스 호출 예시는 다음과 같다:

ros2 lifecycle set /my_lifecycle_node configure
ros2 lifecycle set /my_lifecycle_node activate
ros2 lifecycle set /my_lifecycle_node deactivate
ros2 lifecycle set /my_lifecycle_node cleanup
ros2 lifecycle set /my_lifecycle_node shutdown

이 명령어들은 특정 노드의 상태 전환을 요청하며, 각 노드는 자신의 콜백을 통해 상태 전환을 처리하게 된다. 또한, 상태 전환의 성공 여부는 서비스 응답으로 확인할 수 있다.

상태 전환 흐름 예시

다음은 노드가 상태를 전환하는 과정을 설명하는 예시이다:

노드는 Unconfigured 상태에서 configure 요청을 받는다.
on_configure 콜백이 호출되어 노드를 초기화하고 Inactive 상태로 전환한다.
이후 activate 요청이 들어오면, on_activate 콜백이 호출되어 노드를 Active 상태로 전환한다.
노드가 작업을 마치고 비활성화되어야 할 때, deactivate 요청을 통해 on_deactivate 콜백이 호출되고, 노드는 다시 Inactive 상태로 전환된다.

다음 상태 전환 시퀀스 다이어그램은 이를 시각적으로 설명한다:

sequenceDiagram participant Client participant Node Client ->> Node: configure() Node ->> Node: on_configure() Node ->> Client: Success Client ->> Node: activate() Node ->> Node: on_activate() Node ->> Client: Success Client ->> Node: deactivate() Node ->> Node: on_deactivate() Node ->> Client: Success

이 시퀀스에서 각 서비스 호출은 해당 상태 전환을 처리하며, 콜백을 통해 노드의 상태가 변경된다.

상태 전환 이벤트 처리

생명주기 노드는 상태 전환을 추적하고 필요한 경우 적절한 이벤트를 발생시킬 수 있다. 상태 전환 이벤트는 시스템 모니터링이나 상태 변경 시 필요한 추가 작업을 수행하는 데 유용하게 사용된다. 이벤트 처리는 보통 다음과 같은 상황에서 발생한다:

상태 전환 성공 시: 상태 전환이 성공하면 관련된 이벤트가 발생하며, 시스템에서 해당 상태로 전환되었음을 다른 노드나 시스템에 알릴 수 있다.
상태 전환 실패 시: 상태 전환이 실패할 때도 이벤트가 발생하며, 실패한 이유에 대해 로그를 기록하거나 복구 작업을 수행하는 데 사용할 수 있다.

상태 전환 이벤트 구조

상태 전환 이벤트는 ROS2의 lifecycle_msgs 패키지를 통해 제공된다. 이 메시지 패키지에는 상태 전환 이벤트를 처리하기 위한 다양한 메시지 타입이 정의되어 있으며, 이를 통해 다른 노드와 시스템이 상태 변화를 감지하고 처리할 수 있다. 상태 전환 이벤트는 주로 아래와 같은 메시지 구조를 따른다:

Header header
uint8 current_state
uint8 previous_state
string node_name

이 메시지 구조는 상태 전환 이벤트가 발생할 때마다, 현재 상태와 이전 상태, 그리고 상태 전환이 발생한 노드의 이름을 포함하여 전송된다. 이를 통해 다른 노드나 시스템은 특정 노드의 상태 전환을 모니터링하고 필요한 작업을 수행할 수 있다.

상태 전환 예제 코드

다음은 ROS2 생명주기 노드에서 상태 전환을 구현하는 간단한 예제이다. 이 예제에서는 노드가 Unconfigured 상태에서 Inactive 상태로, 그리고 Active 상태로 전환되는 과정을 보여준다:

#include "rclcpp/rclcpp.hpp"
#include "rclcpp_lifecycle/lifecycle_node.hpp"
#include "lifecycle_msgs/msg/transition.hpp"

using namespace rclcpp_lifecycle;

class LifecycleNodeExample : public rclcpp_lifecycle::LifecycleNode
{
public:
  LifecycleNodeExample()
  : LifecycleNode("lifecycle_node_example")
  {}

  // 상태 전환 콜백
  rcl_lifecycle_transition_key_t on_configure(const State &)
  {
    RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "Configuring...");
    return RCL_RET_OK;
  }

  rcl_lifecycle_transition_key_t on_activate(const State &)
  {
    RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "Activating...");
    return RCL_RET_OK;
  }

  rcl_lifecycle_transition_key_t on_deactivate(const State &)
  {
    RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "Deactivating...");
    return RCL_RET_OK;
  }

  rcl_lifecycle_transition_key_t on_cleanup(const State &)
  {
    RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "Cleaning up...");
    return RCL_RET_OK;
  }

  rcl_lifecycle_transition_key_t on_shutdown(const State &)
  {
    RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "Shutting down...");
    return RCL_RET_OK;
  }
};

int main(int argc, char * argv[])
{
  rclcpp::init(argc, argv);

  auto lifecycle_node = std::make_shared<LifecycleNodeExample>();

  rclcpp::spin(lifecycle_node->get_node_base_interface());

  rclcpp::shutdown();
  return 0;
}

이 예제에서 각 상태 전환에 맞는 콜백 함수가 정의되어 있으며, 상태 전환이 성공하면 RCL_RET_OK를 반환하여 상태 전환을 완료한다. 상태 전환에 필요한 콜백 함수는 각각의 상태에 맞춰 구현할 수 있으며, 필요에 따라 더 복잡한 작업을 수행할 수 있다.

상태 전환에서의 데이터 관리

상태 전환 시 중요한 요소 중 하나는 각 상태에서 사용되는 데이터의 관리이다. 노드가 활성화되거나 비활성화될 때 특정 데이터를 생성하거나 삭제해야 할 수 있으며, 상태 전환 시 데이터의 무결성을 보장하는 것이 중요하다. 이를 위해 상태 전환 시점에서 데이터를 적절히 관리해야 한다.

예를 들어, on_activate() 콜백에서 퍼블리셔를 활성화하고 데이터를 전송하기 시작하는 동안, on_deactivate() 콜백에서는 퍼블리셔를 중지하고 메모리를 해제해야 한다. 이를 통해 불필요한 자원 소모를 줄이고 시스템의 성능을 최적화할 수 있다.

상태 전환 중 발생할 수 있는 문제점과 해결 방안

ROS2 생명주기 노드를 사용할 때, 상태 전환 중 발생할 수 있는 문제점을 미리 파악하고 해결책을 마련하는 것이 중요하다. 상태 전환 중 문제가 발생할 수 있는 주요 원인은 다음과 같다.

비정상적인 상태 전환: 노드가 잘못된 상태에서 다른 상태로 전환을 시도하는 경우 오류가 발생할 수 있다. 예를 들어, 노드가 아직 Unconfigured 상태인데 Active 상태로 전환하려고 시도하면, 잘못된 전환으로 인식되어 전환 실패가 발생한다. 이를 해결하려면 각 상태 전환이 적절한 순서로 이루어지도록 상태 전환 흐름을 엄격하게 관리해야 한다.
리소스 부족: 상태 전환 중 노드가 활성화되거나 비활성화될 때 필요한 자원이 충분하지 않을 경우, 리소스 부족 문제가 발생할 수 있다. 예를 들어, 노드가 Active 상태로 전환될 때 필요한 퍼블리셔나 서브스크라이버가 할당될 자원이 부족하면 전환 실패가 발생할 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해서는 자원을 적절히 관리하고, 필요한 경우 자원의 사용량을 모니터링하여 필요한 작업을 수행해야 한다.
비동기 작업 중단: Active 상태에서 비동기적으로 실행되는 작업(예: 퍼블리셔, 타이머 등)이 적절하게 중단되지 않으면, 노드가 Inactive 상태로 전환될 때 문제가 발생할 수 있다. 비동기 작업은 명시적으로 중단되고 리소스가 해제되어야 하며, 이를 위해 상태 전환 시 각 작업의 종료 여부를 확인해야 한다.

이러한 문제들은 상태 전환 시 적절한 예외 처리를 통해 해결할 수 있으며, 상태 전환이 정상적으로 이루어지도록 관리하는 것이 중요하다. 상태 전환 중 오류가 발생하면 오류 로그를 남기고, 필요한 경우 복구 절차를 수행해야 한다.

상태 전환의 실시간 처리

ROS2 생명주기 노드는 실시간 시스템에서도 사용할 수 있도록 설계되었다. 실시간 시스템에서는 상태 전환의 지연을 최소화하고, 가능한 한 빠르게 상태를 변경하는 것이 중요하다. 실시간 처리를 위해서는 다음과 같은 점을 고려해야 한다:

실시간 우선순위 설정: 상태 전환 작업을 수행하는 노드에 대해 우선순위를 설정하여 실시간성을 보장해야 한다. 예를 들어, 활성화나 비활성화 작업이 실시간 우선순위를 가지도록 설정하면, 다른 비실시간 작업보다 우선적으로 처리된다.
상태 전환 지연 최소화: 실시간 시스템에서 상태 전환이 지연되면 시스템 전체의 성능에 영향을 미칠 수 있다. 상태 전환 시 불필요한 연산이나 리소스 할당을 최소화하고, 즉각적인 상태 전환이 이루어지도록 설계해야 한다.
타이밍 관리: 상태 전환 시 실시간 타이밍을 적절하게 관리하여, 노드가 시간에 맞춰 상태를 변경하고 이를 처리할 수 있도록 해야 한다. 특히, 시간 동기화가 필요한 경우, 각 상태 전환이 정확한 시간에 이루어지도록 보장해야 한다.

실시간 시스템에서의 상태 전환 예제

다음은 실시간 시스템에서 상태 전환을 처리하는 예시이다. 이 예제에서는 실시간 우선순위를 가진 상태 전환 작업을 수행하여 실시간성을 보장한다:

#include <rclcpp/rclcpp.hpp>
#include <rclcpp_lifecycle/lifecycle_node.hpp>
#include <sched.h>
#include <pthread.h>

class RealTimeLifecycleNode : public rclcpp_lifecycle::LifecycleNode
{
public:
  RealTimeLifecycleNode()
  : LifecycleNode("real_time_lifecycle_node")
  {}

  rcl_lifecycle_transition_key_t on_configure(const State &)
  {
    RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "Configuring in real-time...");

    // 실시간 우선순위 설정
    struct sched_param schedParam;
    schedParam.sched_priority = 90; // 실시간 우선순위 설정
    pthread_setschedparam(pthread_self(), SCHED_FIFO, &schedParam);

    return RCL_RET_OK;
  }

  rcl_lifecycle_transition_key_t on_activate(const State &)
  {
    RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "Activating in real-time...");
    return RCL_RET_OK;
  }

  rcl_lifecycle_transition_key_t on_deactivate(const State &)
  {
    RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "Deactivating in real-time...");
    return RCL_RET_OK;
  }

  rcl_lifecycle_transition_key_t on_cleanup(const State &)
  {
    RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "Cleaning up in real-time...");
    return RCL_RET_OK;
  }

  rcl_lifecycle_transition_key_t on_shutdown(const State &)
  {
    RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "Shutting down in real-time...");
    return RCL_RET_OK;
  }
};

int main(int argc, char * argv[])
{
  rclcpp::init(argc, argv);

  auto lifecycle_node = std::make_shared<RealTimeLifecycleNode>();

  rclcpp::spin(lifecycle_node->get_node_base_interface());

  rclcpp::shutdown();
  return 0;
}

이 코드에서는 pthread_setschedparam 함수를 사용하여 실시간 우선순위를 설정하고, 상태 전환이 실시간으로 이루어지도록 처리한다. 실시간 시스템에서의 상태 전환은 시스템의 성능에 매우 중요한 요소이므로, 이를 최적화하는 것이 필요하다.

상태 전환 중 시간 동기화 처리

ROS2 생명주기 노드를 실시간 시스템에서 사용할 때, 특히 분산 시스템이나 여러 노드가 협력하여 작업을 수행하는 경우, 각 노드의 시간 동기화가 매우 중요하다. 상태 전환 중 시간 동기화를 제대로 처리하지 않으면, 노드 간의 통신이 비동기적으로 이루어지거나, 작업의 일관성이 깨질 수 있다.

시간 동기화는 다음과 같은 방법으로 처리할 수 있다:

시스템 시간 동기화: 모든 노드가 동일한 시스템 시간을 기준으로 작업을 수행하도록 한다. 이를 위해 NTP(Network Time Protocol) 등의 시간 동기화 프로토콜을 사용할 수 있다.
ROS2 시간 사용: ROS2는 자체적으로 시뮬레이션 시간과 시스템 시간을 지원한다. 상태 전환 시 ROS2의 시간을 참조하여 각 노드가 동일한 시간에서 작업을 수행하도록 할 수 있다.
타이머 활용: 실시간 타이머를 설정하여 상태 전환이 정확한 시간에 이루어지도록 한다. 타이머는 주기적으로 상태를 체크하고 필요한 경우 상태 전환을 트리거할 수 있다.