ROS on Embedded System: 저사양 하드웨어에서 ROS 구동하기 > 로봇 운영체제(ROS/ROS2) 완전 정복

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ROS on Embedded System: 저사양 하드웨어에서 ROS 구동하기

'ROS on Embedded System: 저사양 하드웨어에서 ROS 구동하기'라는 표현은 로봇 제작 지식 쌓기, 제어 시스템, 로봇 하드웨어, 운영체제(ROS) 및 알고리즘 개발, 그리고 Arduino, Raspberry Pi, IoT 개발 등 임베디드 시스템에 대한 깊은 이해와 관심을 가지신 여러분의 핵심적인 고민을 정확히 담고 있습니다. ROS(Robot Operating System)는 강력한 로봇 개발 프레임워크이지만, 풍부한 기능만큼이나 비교적 높은 컴퓨팅 리소스를 요구합니다. 이는 저사양의 마이크로컨트롤러(MCU)나 경량 임베디드 시스템에서 ROS를 직접 구동하기 어렵게 만듭니다.

하지만 많은 로봇 시스템의 센서나 액추에이터는 저사양 임베디드 시스템에 연결되어 있으며, 이들을 ROS 환경과 연동해야 하는 필요성이 있습니다. 이때 ROS를 저사양 하드웨어에서 효율적으로 구동하거나 연동하는 전략은 로봇 시스템의 유연성과 확장성을 확보하는 데 필수적인 역량입니다. 함께 ROS on Embedded System이 무엇이며, 왜 저사양 하드웨어에서 ROS를 구동하는 것이 중요한지, 주요 전략과 ROS1/ROS2에서의 활용법을 자세히 알아보겠습니다!

여러분께서 로봇을 제작할 때, 복잡한 비전 처리나 내비게이션은 라즈베리 파이(Raspberry Pi)와 같은 SBC(Single Board Computer)나 PC에서 ROS 노드로 구현할 수 있습니다. 하지만 모터의 정밀한 제어, 특정 센서의 로우 레벨 데이터 처리, LED 제어 등은 Arduino와 같은 저사양 마이크로컨트롤러(MCU)가 더 효율적입니다.

이러한 저사양 임베디드 시스템을 ROS 환경과 연동하여 로봇 시스템을 완성해야 할 때 다음과 같은 문제에 직면할 수 있습니다.

1. ROS의 높은 리소스 요구량: ROS는 Linux 운영체제와 함께 작동하며, 상당한 양의 RAM, CPU 리소스, 저장 공간을 요구합니다. 이는 수십~수백 KB의 RAM을 가진 저사양 MCU에서 직접 ROS를 구동하기 어렵게 만듭니다.

2. 통신의 복잡성: MCU와 ROS를 구동하는 상위 컴퓨터 간에 데이터를 주고받는 통신 프로토콜을 직접 구현해야 하는 번거로움이 있습니다.

3. 개발 효율성 저하: 로우 레벨 MCU 코딩과 ROS 상위 레벨 개발을 병행해야 하므로 개발 복잡성이 증가합니다.

ROS on Embedded System은 이러한 문제들을 해결하고, 저사양 하드웨어를 ROS 환경에 효율적으로 통합하기 위한 전략들을 의미합니다.

1. ROS on Embedded System: 왜 중요한가?

1.1. 로우 레벨 제어 및 센서 처리: 모터의 PWM 제어, 엔코더 데이터 처리, 서보 모터 제어 등 정밀하고 빠른 응답이 필요한 로우 레벨 태스크는 저사양 임베디드 시스템이 더 효율적입니다.

1.2. 비용 및 크기 효율성: 저사양 임베디드 시스템은 비용이 저렴하고 크기가 작아 로봇의 각 부위에 분산 배치하기 용이합니다.

1.3. 시스템 안정성: 로우 레벨 제어를 전담하는 MCU가 분리되면, 상위 ROS 시스템에 문제가 발생해도 비상 안전 모드와 같은 기능을 구현하기 용이합니다.

1.4. 시스템 전체의 유연성: MCU가 특정 기능을 수행하고 ROS는 이를 조율하는 방식으로 역할을 분담하여 시스템 전체의 유연성과 확장성을 높입니다.

2. ROS1에서 저사양 하드웨어 연동 전략: rosserial

ROS1에서는 저사양 마이크로컨트롤러(MCU)와 ROS 시스템을 연결하기 위한 표준적인 방법으로 rosserial 패키지를 제공합니다. 

2.1. rosserial 작동 원리:

PC 측 (ROS System): rosserial_python과 같은 노드가 rosserial_server 역할을 하며, MCU에서 오는 시리얼(UART/USB) 통신을 ROS 메시지로 변환하여 토픽으로 발행하거나, ROS 토픽의 메시지를 시리얼 통신으로 변환하여 MCU로 전송합니다.

MCU 측 (Embedded System): ros_lib 라이브러리가 포함된 펌웨어가 rosserial_client 역할을 하며, MCU 코드를 ROS 메시징 시스템과 연동할 수 있도록 도와줍니다. MCU 코드는 ROS 토픽을 발행하거나 구독할 수 있습니다.

2.2. rosserial 활용 예시 (Arduino):

PC (Ubuntu/ROS)에 rosserial 패키지 설치:

sudo apt install ros-noetic-rosserial-arduino # ROS1 Noetic 기준

sudo apt install ros-noetic-rosserial # ROS1 Noetic 기준

Arduino IDE에 ros_lib 라이브러리 설치:

cd <Arduino 스케치 폴더>/libraries

rosrun rosserial_arduino make_libraries.py . # . 현재 디렉토리에 라이브러리 생성

Arduino 스케치 작성: Arduino 코드 내에서 ros.h, std_msgs/String.h 등 ROS 관련 헤더를 포함하고, ros::NodeHandle을 생성하여 ROS 토픽 발행/구독 로직을 구현합니다.

#include <ros.h>

#include <std_msgs/String.h>

ros::NodeHandle nh;

std_msgs::String str_msg;

ros::Publisher pub("chatter", &str_msg);

void setup() {

  nh.initNode();

  nh.advertise(pub);

}

void loop() {

  str_msg.data = "hello world from arduino!";

  pub.publish(&str_msg);

  nh.spinOnce();

  delay(1000);

}

Arduino 펌웨어 업로드: 작성된 스케치를 Arduino에 업로드합니다.

PC에서 rosserial_python 노드 실행:

roslaunch rosserial_python serial_node.launch port:/dev/ttyACM0 # port는 Arduino 연결 포트

이제 Arduino가 발행하는 "chatter" 토픽을 ROS PC에서 rostopic echo /chatter 명령으로 확인할 수 있습니다.

장점: 간단하게 저사양 MCU를 ROS 환경에 연동할 수 있습니다.

한계: 시리얼 통신의 한계로 인한 속도 제한, ROS1의 특성상 마스터 의존성.

3. ROS2에서 저사양 하드웨어 연동 전략: Micro-ROS / Rclpy / Custom Transport

ROS2는 DDS 기반의 통신 덕분에 ROS1보다 분산 시스템에 더욱 유연하게 대응할 수 있으며, 저사양 임베디드 시스템 연동을 위한 다양한 전략을 제공합니다.   

3.1. Micro-ROS:

개념: RAM/ROM 용량이 매우 제한적인 MCU(예: ESP32, STM32)에서 ROS2의 메시징 시스템을 직접 구동할 수 있도록 설계된 ROS2의 경량화 버전입니다. Micro-ROS는 RMW(ROS Middleware) 위에 RTOS(실시간 운영체제)를 사용하며, Micro-XRCE-DDS를 DDS 구현체로 사용합니다. 

장점: 저사양 MCU에서 ROS2 통신 기능을 직접 사용할 수 있어 개발 편의성이 높고, 실시간성이 요구되는 로우 레벨 제어에 ROS2의 QoS를 적용할 수 있습니다.

활용: 로봇의 각 관절에 분산된 MCU들이 Micro-ROS를 통해 직접 ROS2 메시지를 주고받으며 제어되는 시스템 구축.

[그림 상상하기]: STM32 보드에 Micro-ROS가 올라가 있고, PC의 ROS2와 직접 통신하는 모습.

3.2. Rclpy (Python Client Library):

개념: 라즈베리 파이(Raspberry Pi), Jetson Nano와 같은 SBC(Single Board Computer)는 저사양이지만 Linux 운영체제를 구동할 수 있으므로, Python 기반의 ROS2 노드를 직접 실행할 수 있습니다.

장점: Python의 개발 생산성과 풍부한 라이브러리를 활용하여 센서 데이터 처리, 제어 로직, 이미지 처리 등 다양한 ROS2 기능을 구현할 수 있습니다.

활용: 라즈베리 파이 기반 이동 로봇의 메인 컨트롤러.

[그림 상상하기]: 라즈베리 파이에서 Python ROS2 노드가 실행되고, 센서 데이터를 읽어 토픽으로 발행하는 모습.

3.3. Custom Serial / UDP Transport:

개념: MCU가 Micro-ROS를 직접 구동하기 어려운 경우(더욱 제약된 환경)에는, MCU와 ROS2 시스템 간에 사용자가 직접 설계한 시리얼(UART) 또는 UDP 통신 프로토콜을 사용하여 데이터를 주고받는 방식입니다.

장점: 가장 로우 레벨에서 최적화된 통신 구현이 가능합니다.

한계: 통신 프로토콜을 직접 구현해야 하므로 개발 복잡성이 증가합니다.

활용: 매우 작은 MCU에서 정밀한 모터 제어 또는 로우 레벨 센서 데이터를 처리하고, 이 데이터를 ROS2 시스템으로 전달해야 할 때.

4. ROS on Embedded System, 로봇 개발 효율을 높이는 팁

4.1. 적절한 플랫폼 선택: 로봇의 요구사항(실시간성, 컴퓨팅 파워, 비용, 크기)에 맞춰 MCU, SBC, PC 중 가장 적절한 임베디드 플랫폼을 선택합니다.

4.2. 기능 분산: 로우 레벨의 실시간 제어는 MCU에, 고레벨의 복잡한 알고리즘은 SBC나 PC의 ROS 노드에 할당하여 기능을 분산합니다.

4.3. 통신 최적화: MCU와 ROS 시스템 간의 통신은 필요한 데이터만 전송하고, 효율적인 메시지 구조를 사용하여 대역폭과 처리 시간을 최적화합니다.

4.4. 하드웨어 디버깅 도구 활용: MCU 측의 문제(센서 데이터 이상, 모터 제어 문제 등)를 진단하기 위해 오실로스코프, 로직 분석기, 임베디드 디버거(JTAG/SWD) 등을 적극적으로 활용합니다. (펌웨어와 하드웨어 연동 디버깅이 필수적입니다.)

4.5. ROS2 QoS 설정: Micro-ROS나 ROS2 시스템 연동 시 QoS 설정을 통해 통신의 신뢰성과 실시간성을 확보합니다.

ROS on Embedded System은 로봇 제작 지식 쌓기, 제어 시스템, 로봇 하드웨어, 운영체제(ROS) 및 알고리즘 개발, 그리고 Arduino, Raspberry Pi, IoT 개발 등 임베디드 시스템에 대한 깊은 이해와 관심을 가지신 여러분에게 저사양 하드웨어를 ROS 환경에 효율적으로 통합하고, 로봇 시스템의 유연성과 확장성을 확보하는 핵심 전략입니다. 이러한 ROS on Embedded System 활용법을 완벽하게 마스터하여 미래의 다양한 로봇 시스템을 구현하는 데 큰 기여를 할 것이라고 믿습니다!