ROS Launch 파일: 여러 노드를 한 번에 실행하는 효율적인 방법 > 로봇 운영체제(ROS/ROS2) 완전 정복

ROS Launch 파일: 여러 노드를 한 번에 실행하는 효율적인 방법

'ROS Launch 파일: 여러 노드를 한 번에 실행하는 효율적인 방법'이라는 표현은 로봇 제작 지식 쌓기, 제어 시스템, 로봇 컨트롤러, 운영체제(ROS) 및 알고리즘 개발, 그리고 시스템의 안정성 분석, 효율성 향상에 대한 깊은 이해와 관심을 가지신 여러분의 핵심적인 고민을 정확히 담고 있습니다. 로봇 시스템은 다양한 센서 드라이버, 모터 제어 노드, 내비게이션 노드, 사용자 인터페이스 노드 등 수많은 ROS 노드들로 구성됩니다. 이 노드들을 일일이 터미널에서 실행하는 것은 매우 번거롭고, 휴먼 에러를 유발하기 쉽습니다.

ROS Launch 파일은 이러한 ROS 노드들을 "여러 개의 노드를 한 번에 실행시킬 수 있는 파일"이자, "로컬 및 원격으로 여러 ROS 노드를 쉽게 실행할 수 있는 도구"입니다.  Launch 파일은 노드의 실행을 자동화하고, 파라미터(Parameter) 설정, 노드 리매핑(Remapping) 등을 통해 로봇 시스템의 전체 구성을 효율적으로 관리하는 핵심 도구입니다. 이는 로봇 개발의 생산성과 안정성을 획기적으로 높이는 필수적인 역량입니다. 함께 ROS Launch 파일이 무엇이며, 왜 여러 노드를 한 번에 실행하는 데 중요한지, 주요 기능과 로봇 개발에 어떻게 활용되는지 자세히 알아보겠습니다!

여러분께서 ROS 환경에서 로봇을 개발하고 테스트할 때, 다음과 같은 상황에 직면합니다.

1. 복잡한 시스템: 로봇 시스템은 센서 데이터 수집, 로봇 자세 추정, 경로 계획, 모터 제어, 사용자 인터페이스 등 다양한 기능들을 각각의 ROS 노드로 구현합니다.

2. 번거로운 수동 실행: 이 노드들을 실행하려면 rosrun (ROS1) 또는 ros2 run (ROS2) 명령어를 터미널에서 일일이 입력해야 합니다. 노드 개수가 많아지면 실행 순서나 파라미터 설정 등을 잊기 쉽습니다.

3. 환경 설정: 각 노드에 필요한 파라미터(ROS Parameter Server 참조)나 통신 토픽 이름(리매핑)을 매번 수동으로 설정해야 합니다.

4. 유지보수 및 공유의 어려움: 로봇 시스템의 구성이 변경될 때마다 모든 실행 명령을 다시 정리해야 하고, 다른 개발자와 공유하기도 어렵습니다.

ROS Launch 파일은 이러한 문제들을 해결하고, 로봇 시스템의 시작(Startup) 과정을 자동화하며, "로봇을 움직이거나 테스트하기 위해 복잡한 명령어를 굳이 외울 필요가 없게" 해주는 핵심 도구입니다. Launch 파일은 "로봇 애플리케이션 개발에 필요한 여러 서비스와 라이브러리, 도구, 규약 등을 제공하는" ROS의 강력한 기능을 보조합니다.

1. ROS Launch 파일이란 무엇인가? (로봇 시스템의 통합 제어 센터!)

ROS Launch 파일은 XML 형식의 파일로, 하나 이상의 ROS 노드를 실행하고, 노드의 실행 속성(이름, 패키지, 타입 등)과 파라미터(Parameter), 토픽 리매핑(Remapping) 등을 설정하며, 다른 Launch 파일을 포함(Include)할 수 있는 기능을 제공합니다. 

1.1. 주요 기능

여러 노드 한 번에 실행: 단일 명령으로 로봇 시스템을 구성하는 모든 필수 노드를 동시에 실행합니다.

파라미터 로드: YAML 파일에 정의된 파라미터들을 ROS Parameter Server에 로드합니다. (ROS Parameter Server: 로봇 설정값을 효율적으로 관리하는 법과 연결됩니다.)

토픽 리매핑: 노드 간 통신 토픽의 이름을 변경하여 노드의 재사용성을 높이고 충돌을 방지합니다.

환경 변수 설정: 노드 실행에 필요한 환경 변수를 설정합니다.

조건부 실행: 특정 조건에 따라 노드를 실행하거나 제외합니다.

다른 Launch 파일 포함: 여러 개의 작은 Launch 파일을 조합하여 대규모 시스템의 Launch 파일을 구성합니다.

로그 관리: 노드의 출력(stdout/stderr)을 화면에 표시할지, 파일로 기록할지 설정합니다.

2. ROS Launch 파일의 기본 구조 및 예시 (ROS1)

ROS1 Launch 파일은 <launch> 태그를 최상위 요소로 사용하며, 그 안에 <node>, <param>, <rosparam>, <include> 등 다양한 태그를 포함합니다. 

xml

<!-- my_robot_bringup.launch -->

<launch>

  <!-- 1. 파라미터 서버에 파라미터 로드 -->

  <param name="/robot_name" value="MyROSBot"/>

  <rosparam file="$(find my_robot_config)/config/robot_params.yaml" command="load"/>

  <!-- 2. 센서 드라이버 노드 실행 -->

  <node pkg="rplidar_ros" type="rplidarNode" name="rplidar_sensor" output="screen">

    <param name="serial_port" value="/dev/ttyUSB0"/>

    <param name="frame_id" value="laser_frame"/>

  </node>

  <!-- 3. 오도메트리 추정 노드 실행 -->

  <node pkg="robot_base_controller" type="robot_odom_node" name="odometry_publisher" output="screen">

    <remap from="cmd_vel" to="/robot/cmd_vel"/> <!-- 토픽 리매핑 -->

    <param name="publish_rate" value="50"/>

  </node>

  <!-- 4. 내비게이션 스택의 launch 파일 포함 (ROS Navigation Stack) -->

  <include file="$(find nav_core)/launch/move_base.launch">

    <arg name="model" value="$(find my_robot_description)/urdf/my_robot.urdf" />

  </include>

  <!-- 5. 로봇 모델 시각화 (RViz) -->

  <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find my_robot_description)/rviz/robot_view.rviz" output="screen"/>

</launch>

2.1. 주요 태그 설명

<launch>: 모든 Launch 파일의 최상위 태그입니다.

<node>: 단일 ROS 노드를 실행합니다.

pkg: 노드가 속한 패키지 이름.

type: 노드의 실행 파일 이름.

name: 노드의 인스턴스 이름 (다른 노드와 충돌 방지).

output: 노드의 표준 출력(stdout/stderr)을 어디로 보낼지 (예: screen 또는 log).

<param>: 특정 파라미터를 ROS Parameter Server에 설정합니다.

<rosparam>: YAML 파일 전체를 파라미터 서버에 로드하거나 저장합니다.

<remap>: 특정 노드의 입력/출력 토픽의 이름을 변경합니다.

<include>: 다른 Launch 파일을 현재 Launch 파일에 포함시킵니다. arg 태그를 사용하여 포함되는 Launch 파일의 인자(argument)를 전달할 수 있습니다.

<arg>: Launch 파일 내에서 사용할 수 있는 지역 변수입니다. Launch 파일을 실행할 때 인자로 전달받을 수 있습니다.

$(find <package_name>): 특정 패키지의 경로를 찾아주는 유용한 명령어입니다.

3. ROS2 Launch 파일: Python 기반의 강력함

ROS2에서는 Launch 파일의 개념이 더욱 강력하고 유연해졌습니다. XML 외에 Python 스크립트를 사용하여 Launch 파일을 작성할 수 있으며, 이는 조건부 실행, 루프 처리 등 복잡한 로직 구현을 가능하게 합니다. 

python

# my_robot_bringup.launch.py

from launch import LaunchDescription

from launch.actions import DeclareLaunchArgument, IncludeLaunchDescription

from launch.launch_description_sources import PythonLaunchDescriptionSource

from launch.substitutions import LaunchConfiguration

from launch_ros.actions import Node

from ament_index_python.packages import get_package_share_directory

import os

def generate_launch_description():

    # 1. Launch Argument 선언

    # Launch 파일을 실행할 때 전달받을 인자를 정의합니다.

    use_sim_time = DeclareLaunchArgument(

        'use_sim_time',

        default_value='false',

        description='Use simulation (Gazebo) clock if true'

    )

    # 2. 파라미터 파일 경로 정의

    robot_params_file = os.path.join(

        get_package_share_directory('my_robot_config'),

        'config',

        'robot_params.yaml'

    )

    # 3. 노드 실행 정의

    rplidar_node = Node(

        package='rplidar_ros',

        executable='rplidar_node',

        name='rplidar_sensor',

        output='screen',

        parameters=[{'serial_port': '/dev/ttyUSB0',

                     'frame_id': 'laser_frame'}]

    )

    odometry_node = Node(

        package='robot_base_controller',

        executable='robot_odom_node',

        name='odometry_publisher',

        output='screen',

        remappings=[

            ('cmd_vel', '/robot/cmd_vel') # 토픽 리매핑

        ],

        parameters=[robot_params_file, {'publish_rate': 50}] # YAML 파일과 직접 파라미터 설정

    )

    # 4. 다른 launch 파일 포함

    nav2_bringup = IncludeLaunchDescription(

        PythonLaunchDescriptionSource([

            os.path.join(get_package_share_directory('nav2_bringup'), 'launch', 'bringup_launch.py')

        ]),

        launch_arguments={'use_sim_time': LaunchConfiguration('use_sim_time')}.items()

    )

    # 5. RViz 노드 실행

    rviz_config_file = os.path.join(

        get_package_share_directory('my_robot_description'),

        'rviz',

        'robot_view.rviz'

    )

    rviz_node = Node(

        package='rviz2',

        executable='rviz2',

        name='rviz_display',

        arguments=['-d', rviz_config_file],

        output='screen'

    )

    return LaunchDescription([

        use_sim_time,

        rplidar_node,

        odometry_node,

        nav2_bringup,

        rviz_node

    ])

4. ROS Launch 파일 활용, 효율성을 높이는 팁

4.1. 워크플로우 자동화: 로봇 시스템을 시작하는 과정을 Launch 파일 하나로 자동화하여 매번 노드를 수동으로 실행하는 번거로움을 없앱니다.

4.2. 일관된 설정: 모든 노드에 대한 파라미터, 토픽 리매핑 등의 설정을 Launch 파일 내에서 관리하여 시스템 전체의 일관성을 유지합니다.

4.3. 재사용성 및 모듈화: 각 기능별로 작은 Launch 파일을 만들고, 이를 다른 Launch 파일에서 include하여 재사용성을 높이고, 대규모 시스템을 모듈화하여 관리합니다.

4.4. 디버깅 편의성: Launch 파일에 노드의 output="screen" 설정을 사용하여 노드의 로그를 터미널에 바로 출력하게 하거나, output="log"로 설정하여 파일로 기록하게 할 수 있습니다. ROS_LOG_LEVEL 환경 변수를 Launch 파일 내에서 설정하여 특정 노드의 로깅 레벨을 조정할 수 있습니다.

4.5. 시스템 관리: rosnode list, rostopic list, rqt_graph와 같은 도구들을 함께 사용하여 Launch 파일로 실행된 노드들의 상태를 모니터링하고 디버깅합니다.

4.6. ROS Parameter Server 연동: YAML 파일에 로봇 설정값을 정의하고 Launch 파일을 통해 이를 로드하여, 코드 수정 없이도 로봇의 동작을 유연하게 변경하고 튜닝할 수 있도록 합니다.

ROS Launch 파일은 로봇 제작 지식 쌓기, 제어 시스템, 로봇 컨트롤러, 운영체제(ROS) 및 알고리즘 개발, 그리고 시스템의 안정성 분석, 효율성 향상에 대한 깊은 이해와 관심을 가지신 여러분에게 여러 노드를 한 번에 실행하고, 로봇 시스템의 전체 구성을 효율적으로 관리하는 핵심 도구입니다. 이러한 ROS Launch 파일의 개념과 활용법을 완벽하게 마스터하여 로봇 개발의 생산성과 안정성을 획기적으로 높이고, 미래의 혁신적인 로봇을 구현하는 데 큰 기여를 할 것이라고 믿습니다!