시뮬레이션 환경 구축과 실행

시뮬레이션의 필요성

ROS2를 활용한 로봇 개발에서 시뮬레이션은 필수적이다. 하드웨어를 실시간으로 테스트할 수 없는 상황에서도 시뮬레이션을 통해 소프트웨어를 검증하고, 로봇의 동작을 미리 확인할 수 있다. 이를 통해 하드웨어 비용과 시간을 절약할 수 있으며, 복잡한 상황에서도 안전하게 테스트할 수 있다.

시뮬레이션 환경의 선택

ROS2에서 사용할 수 있는 다양한 시뮬레이션 툴들이 있으며, 가장 널리 사용되는 툴은 Gazebo이다. Gazebo는 물리 엔진을 기반으로 하여 실제와 가까운 환경에서 로봇을 시뮬레이션할 수 있으며, ROS2와 원활하게 통합된다. 그 외에도 Webots, V-REP(이제는 CoppeliaSim으로 불림) 등도 있다.

Gazebo 설치

ROS2 Humble과 함께 Gazebo를 설치하려면 아래 명령어를 사용한다.

sudo apt install ros-humble-gazebo-ros-pkgs

위 명령어는 Gazebo와 ROS2의 통합 패키지를 설치한다. 설치가 완료되면 Gazebo와 ROS2 노드 간의 통신을 테스트할 수 있다.

시뮬레이션을 위한 URDF 및 SDF 모델 준비

Gazebo와 ROS2는 URDF (Unified Robot Description Format) 및 SDF (Simulation Description Format) 모델을 사용하여 로봇을 정의한다. URDF는 로봇의 링크, 조인트, 센서 등을 정의하는 XML 기반의 포맷이며, SDF는 URDF의 확장된 형태로, 더욱 정밀한 물리적 특성과 환경 요소들을 정의할 수 있다.

URDF 모델의 기본 구조

URDF는 각 로봇의 구성 요소를 XML 형식으로 정의하며, 아래와 같은 구조를 갖는다.

<robot name="my_robot">
  <link name="base_link">
    <inertial>
      <mass value="1.0"/>
      <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
      <inertia ixx="0.1" ixy="0.0" ixz="0.0" iyy="0.1" iyz="0.0" izz="0.1"/>
    </inertial>
  </link>
  <joint name="joint1" type="revolute">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="link1"/>
    <axis xyz="0 0 1"/>
    <limit effort="1.0" velocity="1.0" lower="0" upper="1.57"/>
  </joint>
</robot>

이 예시는 기본적인 URDF 로봇 모델의 구조이다. link는 로봇의 각 부분을 나타내며, joint는 링크 간의 관계와 움직임을 정의한다. 각 링크와 조인트에는 관성(inertial), 질량(mass), 관성 모멘트(inertia) 등 물리적 특성이 정의된다.

Gazebo에서 URDF 모델 로드

Gazebo 시뮬레이션에서 URDF 모델을 불러오기 위해서는 launch 파일을 작성해야 한다. launch 파일은 ROS2에서 여러 노드를 시작하는 데 사용되며, 아래와 같은 방식으로 Gazebo에서 URDF 모델을 불러온다.

<launch>
  <node name="gazebo" pkg="gazebo_ros" type="gazebo" args="-urdf -file $(find my_robot)/urdf/my_robot.urdf"/>
</launch>

이 예시에서 gazebo_ros 패키지의 Gazebo 노드를 실행하며, -urdf 플래그를 사용하여 URDF 파일을 불러온다.

시뮬레이션 환경 구성

시뮬레이션 환경은 로봇 모델 외에도 다양한 요소를 포함한다. 예를 들어, 시뮬레이션할 지형, 조명, 물리적 물체 등을 정의해야 한다. 이는 주로 Gazebo의 SDF를 사용하여 설정한다. SDF는 더욱 세밀한 시뮬레이션 환경 구성이 가능하며, 다음과 같은 구성을 사용할 수 있다.

<world name="default">
  <light name="sun" type="directional">
    <direction>-0.5 0.5 -1</direction>
  </light>
  <model name="ground_plane">
    <static>true</static>
    <link name="link">
      <collision name="collision">
        <geometry>
          <plane>
            <normal>0 0 1</normal>
          </plane>
        </geometry>
      </collision>
      <visual name="visual">
        <geometry>
          <plane>
            <normal>0 0 1</normal>
          </geometry>
        </visual>
      </link>
    </model>
</world>

이 예시에서는 기본적인 지형과 조명 설정을 포함한 SDF 월드를 정의하였다. 이 월드는 Gazebo에서 로봇이 상호작용할 수 있는 환경을 구성하는 데 사용된다.

ROS2와 Gazebo 통합

ROS2에서 Gazebo와의 통합은 gazebo_ros 패키지를 통해 이루어진다. 이 패키지는 Gazebo 시뮬레이션을 제어할 수 있는 ROS2 인터페이스를 제공한다. 이를 통해 ROS2 노드와 Gazebo가 실시간으로 데이터를 주고받으며 동작할 수 있다.

Gazebo 노드 시작

ROS2에서 Gazebo를 실행하고 로봇 모델을 로드하는 과정은 ROS2 노드를 실행하는 것과 유사한다. 이를 위해 launch 파일을 사용하며, 예시로 Gazebo에서 URDF 모델을 로드하는 launch 파일을 작성할 수 있다.

<launch>
  <arg name="world" default="$(find gazebo_ros)/worlds/empty.world"/>
  <node name="gazebo" pkg="gazebo_ros" type="gazebo" args="-s libgazebo_ros_factory.so $(arg world)" output="screen"/>
  <node name="spawn_urdf" pkg="gazebo_ros" type="spawn_model" args="-urdf -param robot_description -model my_robot" output="screen"/>
</launch>

위 예시에서 첫 번째 node는 Gazebo 시뮬레이션을 실행하고, 두 번째 node는 ROS2의 spawn_model 명령을 통해 로봇 모델을 Gazebo에 로드하는 방식이다. 이 때 robot_description 파라미터는 ROS2에서 로봇 모델을 URDF로 표현한 내용을 가리킨다.

Gazebo에서 센서 시뮬레이션

로봇 시뮬레이션에서 센서 데이터를 생성하고 이를 ROS2에서 활용하기 위해서는 Gazebo의 센서 플러그인을 사용할 수 있다. Gazebo는 기본적으로 여러 센서(카메라, 레이저, GPS 등)를 지원하며, 이를 통해 시뮬레이션 환경 내에서 센서 데이터를 생성하고 ROS2 메시지로 퍼블리싱할 수 있다.

레이저 스캐너 예시

아래는 Gazebo에서 레이저 스캐너(LiDAR) 센서를 정의하고, 이를 ROS2 메시지로 퍼블리싱하는 예시이다.

<sensor type="ray" name="laser_sensor">
  <pose>0 0 0 0 0 0</pose>
  <visualize>true</visualize>
  <update_rate>10.0</update_rate>
  <range>
    <min>0.1</min>
    <max>30.0</max>
    <resolution>0.01</resolution>
  </range>
  <ray>
    <scan>
      <horizontal>
        <samples>720</samples>
        <resolution>1</resolution>
        <min_angle>-1.57</min_angle>
        <max_angle>1.57</max_angle>
      </horizontal>
    </scan>
  </ray>
  <plugin name="gazebo_ros_laser" filename="libgazebo_ros_ray_sensor.so">
    <ros>
      <namespace>/my_robot</namespace>
      <remapping>
        <remap from="scan" to="laser_scan"/>
      </remapping>
    </ros>
  </plugin>
</sensor>

이 예시에서 레이저 스캐너는 Gazebo 내에서 ray 타입의 센서로 정의되며, 해당 센서는 ROS2 메시지로 퍼블리싱된다. plugin 섹션에서 gazebo_ros_laser 플러그인을 사용하여 센서 데이터를 ROS2 토픽으로 보낼 수 있다. 여기서 laser_scan이라는 이름으로 퍼블리싱된 데이터를 ROS2에서 구독할 수 있다.

Gazebo와 ROS2 간의 데이터 전송

Gazebo와 ROS2 간의 데이터 전송은 ROS2 메시지 시스템을 통해 이루어진다. 예를 들어, Gazebo에서 센서 데이터를 생성하면, 해당 데이터는 ROS2 노드에서 사용될 수 있도록 토픽으로 퍼블리싱된다. ROS2 노드는 해당 토픽을 구독하여 센서 데이터를 받아 처리한다.

이를 통해 시뮬레이션 환경에서 생성된 데이터를 실시간으로 ROS2 노드에서 처리할 수 있으며, 실제 로봇 하드웨어 없이도 소프트웨어의 동작을 검증할 수 있다.

시뮬레이션 성능 최적화

시뮬레이션 환경에서는 다수의 노드와 센서가 동시에 동작하므로 성능 최적화가 중요하다. 특히 Gazebo와 같은 시뮬레이션 환경에서는 여러 가지 최적화 기법을 사용할 수 있다.

시뮬레이션 시간 조절

Gazebo에서 시뮬레이션 시간을 조절하여 성능을 최적화할 수 있다. 기본적으로 시뮬레이션 시간은 실제 시간과 동일하게 설정되지만, 시뮬레이션을 빠르게 진행하거나 느리게 진행할 수 있다. 이를 위해 Gazebo의 물리 엔진 설정을 조절하거나, real_time_factor 값을 변경할 수 있다.

<physics type="ode">
  <real_time_update_rate>1000</real_time_update_rate>
  <max_step_size>0.001</max_step_size>
</physics>

real_time_update_rate는 시뮬레이션의 실제 시간과의 비율을 나타내며, max_step_size는 물리 엔진의 시간 간격을 설정한다. 이를 통해 시뮬레이션의 정확성과 속도 간의 균형을 맞출 수 있다.

시뮬레이션에서 발생하는 병목 현상 해결

시뮬레이션 환경에서 발생하는 주요 병목 현상 중 하나는 CPU 사용량과 그래픽 성능 문제이다. 이를 해결하기 위해서는 다음과 같은 방법을 고려할 수 있다.

센서 업데이트 속도 조절: 시뮬레이션에 사용되는 센서의 업데이트 속도를 조절하여 불필요한 데이터 처리를 줄일 수 있다. 예를 들어, 카메라 센서의 프레임 레이트를 낮추거나, 레이저 스캐너의 샘플 수를 줄이는 방식으로 최적화할 수 있다.
물리 엔진의 세부 설정 조정: Gazebo의 물리 엔진 설정을 조절하여 시뮬레이션의 정확도와 성능을 조절할 수 있다. 예를 들어, 충돌 감지 범위나 중력 설정을 최적화하여 시뮬레이션을 가속할 수 있다.
멀티스레딩 활용: Gazebo는 멀티스레딩을 지원하므로, 멀티코어 시스템에서는 여러 스레드를 활용하여 병렬 처리를 극대화할 수 있다. 특히 복잡한 시뮬레이션 환경에서는 멀티스레딩을 통해 성능 향상을 도모할 수 있다.