로봇운영체제 실습 - Simulation: Webots

고영민·2024년 10월 15일

로봇운영체제 실습

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1. 설치

아래 링크에서 Windows 환경에 webots 설치

https://cyberbotics.com/

WSL 내의 Ubuntu 환경에 ROS2의 webots 패키지 설치

sudo apt-get install ros-iron-webots-ros2

Sample 환경 실행

$ export WEBOTS_HOME=/mnt/c/Program\ Files/Webots
$ ros2 launch webots_ros2_universal_robot multirobot_launch.py

Webot 예제 실행

Topic, service, action 확인

$ ros2 topic list
$ ros2 service list
$ ros2 action list

이때, waiting for connection, retrying for another ? seconds 등의 메세지가 출력되며 로봇이 움직이지 않는 경우가 있으며, 이는 본 포스팅 작성일 기준 windows 11의 최신 빌드에서 발생하는 것으로 보임
이러한 문제는 wsl 버전을 2.1.5로 낮춰주면 해결됨. 링크에서 2.1.5 버전의 .msi 파일을 받아 실행

2. 기본 사용법

새로운 project 생성

새로운 프로젝트 생성

좌측 상단 "File-New-New Project Directory"
계속 Next 선택 및, "world settings" 단계에서 프로젝트 이름과 체크박스 확인
기본 뷰포트 조작법:
- 마우스 좌버튼을 누른 채로 마우스 이동: 뷰포트 회전
- 마우스 우버튼을 누른 채로 마우스 이동: 뷰포트 평행이동
- 마우스 휠 조작 또는 휠버튼 누른 채로 마우스 이동: 뷰포트 zoom in/out
시뮬레이터 창의 왼쪽, 객체들이 나열된 창을 scene tree라고 함
Webots 첫 실행 시, 시뮬레이션이 이미 시작되어 시간이 흐르고 있는 상태임
해당 시뮬레이션 환경에 어떠한 객체를 추가하기 위하여 우선 시뮬레이션을 정지하고, 초기 시간으로 되돌려야함(아래 그림과 같이 수행)

시뮬레이션 정지 및 초기화

아래 그림과 같이 뷰포트의 중심을 로봇으로 지정하면 이후 시뮬레이션 시 뷰포트가 로봇을 중심으로 자동으로 따라 이동하여 편리함

뷰포트 설정

Objects Spawn

새로운 객체(노드) 생성

Webots에서는 각 객체를 노드(node)라고 부름: 객체 뿐만 아니라, 회전 시스템, 조명 등도 노드로 이루어져 있음
좌측 상단 + 버튼을 통해 새로운 노드 생성 가능
Base nodes: 새로운 노드를 만들고 싶을 때(본인이 원하는 로봇 모델을 직접 구현하고 싶을 때 사용)
PROTO nodes: webot에서 미리 만들어놓은 노드들

새로운 구체 객체 생성

생성과정 요약

새로운 구체 객체 생성:
1. solid 노드 생성
2. 좌측 scene tree에서 solid 노드가 생성된 것을 확인
3. 생성된 solid 노드의 하위 요소 중 children을 선택, +버튼, "Base nodes"-"shape" 노드 생성
4. shape 노드가 "solid"-"children" 하위에 삽입된 것을 확인
5. shape 노드 하위의 geometry 요소를 클릭, +버튼, "Base nodes"-"sphere" 노드 생성
6. scene tree와 뷰포트에 구체가 생성된 것을 확인
7. scene tree에서 sphere 노드 하위의 radius 값을 변경하여 구체 크기 변경 가능
8. shape 노드 하위의 appearance 요소를 클릭, +버튼, "Base nodes"-"PBRAppearance" 노드 생성
9. RBRAppearance 노드 하위의 baseColor 요소에서 Red=1, blue=0, green=0으로, roughness 요소를 1로, metalness 요소를 0으로 설정
10. 뷰포트에 붉은 색 구체를 확인
11. "solid"-"translation"에서 z값을 0.5로 변경
12. 저장버튼을 눌러 저장
13. 시뮬레이션 실행(상단 재생 버튼): 이 경우 구체가 공중에 그냥 떠있는 모습을 볼 수 있음. 구체가 중력 등의 영향을 받기 위해서는 구체에 물리적 특성을 추가해야함
14. 시뮬레이션 정지 및 초기화
구체 객체의 물리적 특성 추가:
1. "solid"-"children"-"shape" 노드를 클릭
2. 하단의 DEF 칸에 "ball"이라고 작성(해당 노드의 이름을 부여하여, 다른 노드에서 ball 노드를 찾아 활용할 수 있도록 함)
3. "solid"-"boundingObject" 요소를 클릭, +버튼, "USE"-"ball" 노드 생성(새롭게 생긴 USE 탭은 사용자가 이름을 지정한 새로운 노드를 포함함)
4. "solid"-"physics" 요소 클릭, +버튼, "Base nodes"-"physics" 생성
5. 저장버튼을 눌러 저장
6. 시뮬레이션 실행(상단 재생 버튼): 이 경우 구체가 중력의 영향을 받아 아래로 떨어짐
PROTO 노드 추가(webot이 제공하는 로봇 모델)
1. scene tree 빈공간 클릭, +버튼, "PROTO nodes"-"robots"-"gctronic"-"e-puck"-"E-puck"
2. "scene tree"-"E-puck"-"translation"에서 x값을 0.2로 변경
3. 저장
4. 시뮬레이션 실행: 로봇에는 이미 간단한 controller(e-puck_avoid_obstacles, "E-puck"-"controller"확인)가 들어가 있어 장애물을 회피하며 주행하는 모습을 볼 수 있음
5. "E-puck"-"controller" 클릭, 하단의 edit 버튼 클릭, 우측 text editor 창에 선택한 controller의 소스코드가 출력됨을 확인할 수 있으며, 해당 코드를 수정하거나 본인의 controller로 교체할 수도 있음

3. 간단한 이륜 이동 로봇 제작

이륜 이동 로봇 구조

로봇 바디 제작
1. +버튼, "Base nodes"-"Robot" 생성, 하위의 "name"에서 "my_robot"이라고 지정
2. "scene tree"-"Robot"-"children" 클릭, + 버튼, "Base nodes"-"Pose" 생성
3. "Pose"-"children" 클릭, + 버튼, "Base nodes"-"Shape" 생성, 하단의 DEF 칸에 "BODY"라고 작성
4. "Shape"-"geometry" 클릭, + 버튼, "Base nodes"-"Cylinder" 생성: height를 0.08, radius를 0.045로 설정
5. "Shape"-"Appearance" 클릭, + 버튼, "Base nodes"-"PBRAppearance" 생성: 색상을 blue로, roughness 1, metalness 0로 설정
6. "Pose"-"translation"에서 z를 0.0415로 설정
7. "Robot"-"boundingObject" 클릭, + 버튼, "Base nodes"-"Pose" 생성
8. "boundingObject"-"translation"에서 z를 0.0415로 설정
9. "boundingObject"-"children" 클릭, + 버튼, "USE"-"BODY" 생성
10. "Robot"-"physics" 요소 클릭, +버튼, "Base nodes"-"physics" 생성

실린더 모양의 로봇 바디가 생성되었고, 물리적 특성 추가를 위한 bounding(하얀색 선)이 청색 실린더와 일치하는 것을 확인

로봇 바퀴 제작
1. "Robot"-"children" 클릭, + 버튼, "Base nodes"-"HingeJoint" 생성
2. "HingeJoint"-"jointParameter" 클릭, + 버튼, "Base nodes"-"HingeJointParameters" 생성
3. "HingeJoint"-"device" 클릭, + 버튼, "Base nodes"-"RotationalMotor" 생성
4. "RotationalMotor"-"name" 클릭, 하단에서 이름을 "left wheel motor"로 변경
5. "HingeJoint"-"endpoint" 클릭, + 버튼, "Base nodes"-"Solid"생성, "name"필드를 "left wheel"로 지정
6. "endpoint"-"children" 클릭, + 버튼, "Base nodes"-"Pose" 생성, 하단의 DEF 칸에 "WHEEL"이라고 작성
7. "Pose"-"children" 클릭, + 버튼, "Base nodes"-"Shape" 생성
8. "Shape"-"geometry" 클릭, + 버튼, "Base nodes"-"Cylinder" 생성: height를 0.01, radius를 0.025로 설정
9. "Shape"-"Appearance" 클릭, + 버튼, "Base nodes"-"PBRAppearance" 생성: 색상을 red로, roughness 1, metalness 0로 설정
10. "HingeJoint "left wheel""-"endpoint"-"translation"을 (0, 0.045, 0.025)로, "rotation"을 (0, 0, 1, 0)으로, "HingeJoint "left wheel""-"endpoint"-"children"-"Pose"-"rotation"을 (1, 0, 0, 1.57)로 설정
11. "jointParameter"내의 "anchor"를 (0, 0, 0.025)로, "axis"를 (0, 1, 0)으로 설정
12. "endpoint"-"boundingObject"-"children" 클릭, + 버튼, "USE"-"WHEEL" 생성
13. "endpoint"-"physics" 요소 클릭, +버튼, "Base nodes"-"physics" 생성(바퀴 1개 완성)
14. 1~5를 다시 수행하여 "right wheel"로 생성(모터 및 endpoint 이름 변경).
15. "endpoint"-"children" 클릭, + 버튼, "USE"-"WHEEL" 생성
16. "HingeJoint "right wheel""-"endpoint"-"translation"을 (0, -0.045, 0.025)로, "rotation"을 (0, 0, 1, 0)으로 설정
17. "jointParameter"내의 "anchor"를 (0, 0, 0.025)로, "axis"를 (0, 1, 0)으로 설정
18. "endpoint"-"boundingObject"-"children" 클릭, + 버튼, "USE"-"WHEEL" 생성
19. "endpoint"-"physics" 요소 클릭, +버튼, "Base nodes"-"physics" 생성(바퀴 2개 완성)

완성된 이륜 이동 로봇

4. ROS2를 통한 로봇 제어

Webots 프로젝트 내에서 로봇의 컨트롤러를 외부 컨트롤러로 설정해야함
- "Robot "my_robot""-"controller"클릭, 하단에서 select 버튼 클릭, "extern"옵션 선택
처음에 설치한 webot-ros2 패키지를 통해 Webots 시뮬레이터 내의 로봇을 외부에서 ROS2를 통해 제어할 수 있음

패키지 생성

Webot 시뮬레이터에서 구현한 이륜 이동 로봇을 제어하기 위한 패키지 생성

$ ros2 pkg create --build-type ament_python --license Apache-2.0 --node-name my_robot_driver my_package --dependencies rclpy geometry_msgs webots_ros2_driver

$ cd my_package
$ mkdir launch
$ mkdir worlds

위에서 제작한 webot world 파일을 "my_world.wbt"라는 이름으로 저장하여 ~/my_ws/src/my_package/worlds/ 디렉토리 내에 저장

로봇 제어를 위한 로봇 드라이버 파일 작성
- 로봇이름, 모터이름 등이 위에서 로봇 제작시에 작성했던 이름과 반드시 동일해야함

$ code ~/my_ws/src/my_package/my_package/my_robot_driver.py

import rclpy
from geometry_msgs.msg import Twist

HALF_DISTANCE_BETWEEN_WHEELS = 0.045
WHEEL_RADIUS = 0.025

class MyRobotDriver:
    # 생성자에서 항상 2개의 인자를 받음
    # webots_node: webots 시뮬레이터의 instance에 대한 reference
    # properties: URDF파일에서 주어진 XML 태그로부터 생성된 dictionary. 이를 이용하여 여러 파라미터를 controller에 전달 할 수 있음
    def init(self, webots_node, properties):
    
        self.__robot = webots_node.robot

        self.__left_motor = self.__robot.getDevice('left wheel motor')
        self.__right_motor = self.__robot.getDevice('right wheel motor')

        self.__left_motor.setPosition(float('inf'))
        self.__left_motor.setVelocity(0)

        self.__right_motor.setPosition(float('inf'))
        self.__right_motor.setVelocity(0)

        self.__target_twist = Twist()

        rclpy.init(args=None)
        self.__node = rclpy.create_node('my_robot_driver')
        self.__node.create_subscription(Twist, 'cmd_vel', self.__cmd_vel_callback, 1)

    def __cmd_vel_callback(self, twist):
        self.__target_twist = twist

    def step(self):
        rclpy.spin_once(self.__node, timeout_sec=0)

        forward_speed = self.__target_twist.linear.x
        angular_speed = self.__target_twist.angular.z

        command_motor_left = (forward_speed - angular_speed * HALF_DISTANCE_BETWEEN_WHEELS) / WHEEL_RADIUS
        command_motor_right = (forward_speed + angular_speed * HALF_DISTANCE_BETWEEN_WHEELS) / WHEEL_RADIUS

        self.__left_motor.setVelocity(command_motor_left)
        self.__right_motor.setVelocity(command_motor_right)

플러그인을 선언하기 위한 URDF 파일 작성
- 단, 본 예시에서는 webot 월드에 로봇이 구현되어 있기 때문에 URDF 파일이 매우 간단하나, 다른 경우, URDF 파일 내에 로봇의 joint, mesh, sensor 등의 정보가 모두 입력하여 패키지 실행시에 로봇이 구성됨

$ code ~/my_ws/src/my_package/resource/my_robot.urdf

<?xml version="1.0" ?>
<robot name="My robot">
    <webots>
        <plugin type="my_package.my_robot_driver.MyRobotDriver" />
    </webots>
</robot>

launch 파일 작성

$ code ~/my_ws/src/my_package/launch/robot_launch.py

import os
import launch
from launch import LaunchDescription
from ament_index_python.packages import get_package_share_directory
from webots_ros2_driver.webots_launcher import WebotsLauncher
from webots_ros2_driver.webots_controller import WebotsController


def generate_launch_description():
    package_dir = get_package_share_directory('my_package')
    robot_description_path = os.path.join(package_dir, 'resource', 'my_robot.urdf')

    webots = WebotsLauncher(
        world=os.path.join(package_dir, 'worlds', 'my_world.wbt')
    )

    my_robot_driver = WebotsController(
        robot_name='my_robot',
        parameters=[
            {'robot_description': robot_description_path},
        ]
    )

    return LaunchDescription([
        webots,
        my_robot_driver,
        launch.actions.RegisterEventHandler(
            event_handler=launch.event_handlers.OnProcessExit(
                target_action=webots,
                on_exit=[launch.actions.EmitEvent(event=launch.events.Shutdown())],
            )
        )
    ])

setup.py 수정

$ code ~/my_ws/src/my_package/setup.py

from setuptools import find_packages, setup

package_name = 'my_package'
data_files = []
data_files.append(('share/ament_index/resource_index/packages', ['resource/' + package_name]))
data_files.append(('share/' + package_name + '/launch', ['launch/robot_launch.py']))
data_files.append(('share/' + package_name + '/worlds', ['worlds/my_world.wbt']))
data_files.append(('share/' + package_name + '/resource', ['resource/my_robot.urdf']))
data_files.append(('share/' + package_name, ['package.xml']))

setup(
    name=package_name,
    version='0.0.0',
    packages=find_packages(exclude=['test']),
    data_files=data_files,
    install_requires=['setuptools'],
    zip_safe=True,
    maintainer='user',
    maintainer_email='user.name@mail.com',
    description='TODO: Package description',
    license='TODO: License declaration',
    tests_require=['pytest'],
    entry_points={
        'console_scripts': [
            'my_robot_driver = my_package.my_robot_driver:main',
        ],
    },
)

빌드 및 실행

빌드

$ cd ~/my_ws --symlink-install
$ colcon build
$ source install/local_setup.bash

실행

$ ros2 launch my_package robot_launch.py

로봇 제어를 위한 토픽 발행

$ ros2 topic pub /cmd_vel geometry_msgs/Twist  "linear: { x: 0.1 }"

4. 로봇에 센서 추가

로봇에 추가된 거리 센서

거리센서 추가
1. "Robot"-"children" 클릭, + 버튼, "Base nodes"-"DistanceSensor" 생성
2. "DistanceSensor"의 이름("name" 필드)을 "ds0"로 지정
3. "DistanceSensor"-"children" 클릭, + 버튼, "Base nodes"-"Pose" 생성, 하단 DEF에 "SENSOR"입력
4. "Pose"-"children" 클릭, + 버튼, "Base nodes"-"Shape" 생성
5. "Shape"-"geometry" 클릭, + 버튼, "Base nodes"-"Cylinder" 생성: height를 0.004, radius를 0.008로 설정
6. "Shape"-"Appearance" 클릭, + 버튼, "Base nodes"-"PBRAppearance" 생성: 색상을 (1, 1, 0)으로, roughness 1, metalness 0로 설정
7. "DistanceSensor"-"translation"을 (0.042, 0.02, 0.063), "rotation"을 (0, 0, 1, 0.524), "DistanceSensor"-"children"-"Pose"-"rotation"을 (0, 1, 0, 1.57)로 설정
8. "DistanceSensor"-"lookupTable"을 (0, 1020, 0), (0.05, 1020, 0), (0.15, 0, 0)로 설정(+버튼으로 row를 추가)
9. "DistanceSensor"-"numberOfRays"를 2, "aperture"를 1로 설정
10. 같은 방법으로 아래 그림과 같은 설정으로 반대쪽 센서 생성(이름은 ds1)

센서 생성 예시

5. 거리센서를 활용한 장애물 회피 제어

파일작성

장애물 회피 제어 코드 작성

$ code ~/my_ws/src/my_package/my_package/obstacle_avoider.py

import rclpy
from rclpy.node import Node
from sensor_msgs.msg import Range
from geometry_msgs.msg import Twist


MAX_RANGE = 0.15


class ObstacleAvoider(Node):
    def __init__(self):
        super().__init__('obstacle_avoider')

        self.__publisher = self.create_publisher(Twist, 'cmd_vel', 1)

        self.create_subscription(Range, 'left_sensor', self.__left_sensor_callback, 1)
        self.create_subscription(Range, 'right_sensor', self.__right_sensor_callback, 1)

    def __left_sensor_callback(self, message):
        self.__left_sensor_value = message.range

    def __right_sensor_callback(self, message):
        self.__right_sensor_value = message.range

        command_message = Twist()

        command_message.linear.x = 0.1

        if self.__left_sensor_value < 0.9 * MAX_RANGE or self.__right_sensor_value < 0.9 * MAX_RANGE:
            command_message.angular.z = -2.0

        self.__publisher.publish(command_message)


def main(args=None):
    rclpy.init(args=args)
    avoider = ObstacleAvoider()
    rclpy.spin(avoider)
    # Destroy the node explicitly
    # (optional - otherwise it will be done automatically
    # when the garbage collector destroys the node object)
    avoider.destroy_node()
    rclpy.shutdown()


if __name__ == '__main__':
    main()

URDF 파일 수정

$ code ~/my_ws/src/my_package/resource/my_robot.urdf

<?xml version="1.0" ?>
<robot name="My robot">
    <webots>
        <device reference="ds0" type="DistanceSensor">
            <ros>
                <topicName>/left_sensor</topicName>
                <alwaysOn>true</alwaysOn>
            </ros>
        </device>
        <device reference="ds1" type="DistanceSensor">
            <ros>
                <topicName>/right_sensor</topicName>
                <alwaysOn>true</alwaysOn>
            </ros>
        </device>
        <plugin type="my_package.my_robot_driver.MyRobotDriver" />
    </webots>
</robot>

launch 파일 수정

$ code ~/my_ws/src/my_package/launch/robot_launch.py

import os
import launch
from launch_ros.actions import Node
from launch import LaunchDescription
from ament_index_python.packages import get_package_share_directory
from webots_ros2_driver.webots_launcher import WebotsLauncher
from webots_ros2_driver.webots_controller import WebotsController


def generate_launch_description():
    package_dir = get_package_share_directory('my_package')
    robot_description_path = os.path.join(package_dir, 'resource', 'my_robot.urdf')

    webots = WebotsLauncher(
        world=os.path.join(package_dir, 'worlds', 'my_world.wbt')
    )

    my_robot_driver = WebotsController(
        robot_name='my_robot',
        parameters=[
            {'robot_description': robot_description_path},
        ]
    )

    obstacle_avoider = Node(
        package='my_package',
        executable='obstacle_avoider',
    )

    return LaunchDescription([
        webots,
        my_robot_driver,
        obstacle_avoider,
        launch.actions.RegisterEventHandler(
            event_handler=launch.event_handlers.OnProcessExit(
                target_action=webots,
                on_exit=[launch.actions.EmitEvent(event=launch.events.Shutdown())],
            )
        )
    ])

setup.py 수정

$ code ~/my_ws/src/my_package/setup.py

'console_scripts': [
    'my_robot_driver = my_package.my_robot_driver:main',
    'obstacle_avoider = my_package.obstacle_avoider:main'
],

빌드 및 실행

빌드

$ colcon build --simlink-install
$ source install/local_setup.bash

실행

$ ros2 launch my_package robot_launch.py

Rviz

센서 데이터 등을 rviz를 통해 시각화 가능

$ rviz2

WSL을 사용할 경우, rviz(또는 타 GUI 어플리케이션)를 실행했을 때, 검정화면만 나오는 경우 아래의 내용을 ./bashrc 아래에 추가

export LIBGL_ALWAYS_INDIRECT=0
export LIBGL_ALWAYS_SOFTWARE=1

고영민

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로봇운영체제 실습

1. 설치

2. 기본 사용법

새로운 project 생성

Objects Spawn

3. 간단한 이륜 이동 로봇 제작

4. ROS2를 통한 로봇 제어

패키지 생성

빌드 및 실행

4. 로봇에 센서 추가

5. 거리센서를 활용한 장애물 회피 제어

파일작성

빌드 및 실행

Rviz

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