第3回 ROS【Robot Operating System】解説 コラム

このコラムでは数回に分けて、ROS（Robot Operating System）とは？についてご紹介します。連載3回目は「ROSのパッケージ構成」について解説します。

想定する読者	ROS/ROS2の存在を知っていて興味がある人 世の中の情報を調べたが、コマンドやコードなどオペレーションレベルの情報が多く、基本的な概念を体系的に理解できていない人 ROS/ROS2を使用するイメージや享受できるメリットがわからないので、自分のプロジェクトに取り入れられるかが判断できない人
想定する読者の 知識レベル	組込みシステムや制御系開発でプログラムを書いたことがある TCP/UDP等を使ったネットワークプログラミングを知っていることが望ましい
本連載を読んだ後に得られる期待値	ある程度体系的に知識の理解・整理ができ、それをベースに、世の中の公知の情報を参照しながら、ROS/ROS2を使ったプログラミングを始めることができるようになる ROS/ROS2を使った開発がどのようなものか、なかったときとどう違うかを想像でき、利点を理解できる

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1. ROSの構成

ROSのパッケージ構成

次にROSの構成です。ROSの公式サイトでは、次のように描かれています。

画像出典：http://wiki.ros.org/APIs（参照 2020/11/27）


インストールパッケージがカテゴリごとに分類されています。

カテゴリ	説明
CLIENT (LANGUAGE) LAYER	プログラミング言語ごとの基本ライブラリ
ROBOTICS APPLICATION	標準的なアプリケーションパッケージ
ROBOTICS APPLICATION FRAMEWORK	個別のアプリケーションプログラム作成のためのフレームワーク
COMMUNICATION LAYER	データ通信（メッセージ定義、ライブラリ、ユーティリティコマンド）
HARDWARE INTERFACE LAYER	ハードウェア制御のためのインターフェイス
SIMULATION	シミュレータ
SOFTWARE DEVELOPMENT TOOLS	ソフトウェア開発支援ツール

以下は、カテゴリごとに、パッケージと簡単な説明をまとめたものです。

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CLIENT (LANGUAGE) LAYER

言語ごとのruntimeやsdkのようなものです。

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ROBOTICS APPLICATION

高機能なアプリケーションです。前回触れたnavigationやMoveIt!が該当します。

パッケージ	説明
MoveIt!	マニピュレータ動作制御の統合ライブラリ（動作計画、物体把持、逆運動学計算、制御、空間認識、障害回避）
navigation	ナビゲーション（移動体の誘導）
executive_smach	行動計画と状態管理
descartes	マニピュレータの経路計画
rospeex	音声コミュニケーション（音声認識・合成・対話処理）
ar_track_alvar	ARタグを使った位置や姿勢の推定
(teleop pkgs)	キーボードやジョイスティックを使った遠隔操作 (デバイスに応じて同様のパッケージが複数存在)
rocon	複数ロボットの協調制御
mapviz	2Dデータの可視化
people	人の検出とトラッキング

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ROBOTICS APPLICATION FRAMEWORK

アプリケーションというよりも、機能を実現するためのライブラリのようなものです。たとえば、tfはロボットの座標変換をしてくれるパッケージ、ros_controlは軸制御を行うときの標準的なライブラリです。

パッケージ	説明
dynamic_reconfigure	パラメータの動的変更
robot_localization	センサーフュージョンによる非線形状態推定
robot_pose_ekf	拡張カルマンフィルタ（EKF）によるポーズ推定
industrial_core	産業用ロボットコントローラ通信のノードとライブラリ
robotwebtools	WEBベースのツール群
ros_realtime	リアルタイム制御のためのツール群
mavros	ドローンや小型航空機との通信プロトコル
tf	座標変換ライブラリ
robot_state_publisher	ロボット状態（リンクの3Dポーズ）のブロードキャスト
robot_model	ロボット構造のオブジェクトモデル
ros_control	アクチュエータ制御
calibration	キャリブレーション
octomap_mapping	3D占有グリッドマップ
vision_opencv	OpenCVとのインターフェイス
image_pipeline	画像データの変換処理
laser_pipeline	レーザー距離データの変換処理
perception_pcl	ポイントクラウドデータ処理
laser_filters	レーザー距離データのフィルタ処理
ecto	センサや画像処理のためのデータフローフレームワーク

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COMMUNICATION LAYER

ここには、通信のための便利ツールや標準的なメッセージのタイプの定義などが分類されています。

パッケージ	説明
common_msgs	共通メッセージの定義（アクション、エラー診断、幾何、ナビゲーション、センサー）
rosbag	ログ情報の記録と再生
actionlib	アクション通信
pluginlib	プラグイン（実行時の処理交換）
rostopic	トピック情報の取得、トピックのパブリッシュ
rosservice	サービス情報の取得、サービスの要請
roslaunch	複数ノードの実行と実行オプションの設定
rosnode	ノード情報の取得
ros_console	コンソールロギング
rosparam	パラメータ情報の取得、パラメータの変更
rosmaster	マスタ（ネームサービス）
rosout	stdout/stderr

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HARDWARE INTERFACE LAYER

ハードウェアドライバーです。

パッケージ	説明
camera_driver	カメラ画像
(GPS/IMUdrivers)	測位、加速度、ジャイロ
(rangefinderdrivers)	距離計測
(3Dsensordrivers)	3D計測
diagnostics	ハードウェアのエラー管理
joystick_driver	ジョイスティック
audio_common	音声の録音再生
(Force/Torquesensordrivers)	力・トルク
(Powersupplydrivers)	電源
rosserial	シリアル通信
(Ethercatdrivers)	産業用オートメーション使用されるネットワーク
ros_canopen	CANベースのネットワークプロトコル

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SIMULATION

物理シミュレータが含まれます。

 

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SOFTWARE DEVELOPMENT TOOLS

開発ツールです。パッケージ管理やビルドシステムが含まれます。

パッケージ	説明
RViz	3次元可視化
rqt	GUIの開発支援ツール
wstool	ワークスペース操作
rospack	パッケージ管理
catkin	ビルドシステム
rosdep	パッケージの依存関係管理

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2.ROS（Robot Operating System）を実際に学んでみる

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