tb3_controller_cpp

Turtlebot3 に制御則を実装するパッケージ．
ロボットとその後方にある壁との距離を，指定した目標値に安定化する P 制御器を実装している．

「システム／制御／情報」 第68巻 第3号にて発行された解説記事「ROS 2による制御則実装までの道程」におけるサンプルソースコード．
その時点でのソースコードは humble-single-file ブランチ，または GitHub Release より入手してください． https://github.com/kimushun1101/tb3_controller_cpp/releases/tag/v1.0.0

環境構築

1. Ubuntu 22.04を用意
   WSL でも可能であることは確認している．
2. ROS 2 環境構築
   公式インストールページ を参考に ROS 2 をインストールして， Building a Custom Debian Package を参考に rosdep の初期化まで完了させておく．
   さらに，~/.bashrc に ROS コマンドを有効にするためのコマンドを追加する．

   echo "source /opt/ros/humble/setup.bash" >> ~/.bashrc
   

パッケージのインストールとビルド

1. ROS2のワークスペースを作り，このパッケージをインストール

   mkdir -p ~/ros2_ws/src
   cd ~/ros2_ws/src
   sudo apt update
   sudo apt install git
   git clone https://github.com/kimushun1101/tb3_controller_cpp.git
   

2. このパッケージの依存関係を解決

   cd ~/ros2_ws
   rosdep install -y --from-paths src
   

3. ビルド

   cd ~/ros2_ws
   colcon build --symlink-install
   

シミュレーターと制御則の実行

1. シミュレーターの起動

   # Terminal 1
   export LIBGL_ALWAYS_SOFTWARE=1  # オンボードGPU のときはこれをしないとGazebo が暗くなる？
   export TURTLEBOT3_MODEL=burger
   ros2 launch turtlebot3_gazebo turtlebot3_dqn_stage1.launch.py
   

   初回時はGazebo の立ち上がりが遅く，エラーが出てロボットモデルが出ないかもしれない．
   そのような場合にはCtrl+C で一度閉じ，再度 ros2 launch turtlebot3_gazebo turtlebot3_dqn_stage1.launch.py を実行する．
   それでもロボットモデルが出ない場合には，Gazebo 画面内の左にあるInsert タブから，Turtlebot3(Burger) をクリックしてシミュレーター上にロボットを手動で置く．
2. 新しく別のターミナルを開き，以下のコマンドで制御を開始（コントローラーを実行）

   # Terminal 2
   source ~/ros2_ws/install/setup.bash
   ros2 run tb3_controller_cpp tb3_controller_node
   

シミュレーターと制御則を 1 つのターミナルから同時実行させたい場合には，上記の 2 つのターミナルのコマンドをCtrl+C で終了して，以下のコマンドを入力する．

# Terminal 1
source ~/ros2_ws/install/setup.bash
ros2 launch tb3_controller_cpp simulation_and_controller.launch.yaml 

Ctrl+C でシミュレータも終了してしまうため，以下のパラメーター調整には不向き．

パラメーター調整

# Terminal 1 でシミュレーター，# Terminal 2 でコントローラーを起動しているものとする．

1. Gazebo 上のロボットの移動
   t キーを押下して Translation Mode に移行してからロボットをドラッグ・アンド・ドロップ．
   シミュレーションをリセットしたい場合には以下の ROS 2 service コマンドを実行する．

   # Terminal 3
   ros2 service call /reset_simulation std_srvs/srv/Empty
   

2. 目標値の変更
   以下のコマンドを実行する．

   # Terminal 3
   ros2 topic pub /xd std_msgs/msg/Float32 "data: 3.0"
   

   新しい目標値に向かってロボットが動くはず．
3. パラメーターの調整
   制御則を実行したターミナル # Terminal 2 で Ctrl+C を押下することで制御則を一度切り，以下で実行し直す．

   # Terminal 2
   ros2 run tb3_controller_cpp tb3_controller_node --ros-args -p Kp:=3.0
   

   Kp と T を色々変えて実行してみよう． 目標値は手順2 でも変更できるが，起動時の目標値として init_xd というパラメーターも用意している．
   都度 -p オプションをつければ，複数のパラメーターを同時に設定することもできる．

   # Terminal 2
   ros2 run tb3_controller_cpp tb3_controller_node --ros-args -p Kp:=0.5 -p T:=0.01 -p init_xd:=3.0
   

4. Launch ファイルに反映 決定したパラメータを launch/simulation_and_controller.launch.yaml に書き込む．

結果出力

# Terminal 1 でシミュレーター，# Terminal 2 でコントローラーを起動しているものとする．

1. データの記録
   rosbag2 を使用してデータの記録を開始する．

   # Terminal 4
   mkdir -p ~/ros2_ws/src/tb3_controller_cpp/result
   cd ~/ros2_ws/src/tb3_controller_cpp/result
   ros2 bag record /scan /xd /cmd_vel
   

   目標値の変更を行う．

   # Terminal 3
   ros2 topic pub /xd std_msgs/msg/Float32 "data: 3.0"
   

   記録したい動作が終了した後，# Terminal 3 を Ctrl+C することで記録を終了する．
2. グラフを書く

   # Terminal 3
   ros2 run plotjuggler plotjuggler
   

   File→Data から rosbag2 で保存したデータ metadata.yaml を読み込み描画する．
   自身のプログラムでグラフ作成したい場合には，CSV Exporter を使用すれば CSV 形式でも取得できる．

Turtlebot 3 実機での実行

1. ロボットのセットアップ
   公式の e-manual に従う
2. ロボットのソフトウェアを立ち上げ

   # SSH raspberry Pi 1
   export TURTLEBOT3_MODEL=burger
   ros2 launch turtlebot3_bringup robot.launch.py 
   

3. 新しく別のターミナルを開き，以下のコマンドで制御を開始

   # SSH raspberry Pi 2
   source ~/ros2_ws/install/setup.bash
   ros2 run tb3_controller_cpp tb3_controller_node
   

シミュレーターと制御則を 1 つのターミナルから同時実行させたい場合には，以下のコマンドを入力する．

# SSH raspberry Pi 1
source ~/ros2_ws/install/setup.bash
ros2 launch tb3_controller_cpp turtlebot3_and_controller.launch.yaml 

パラメーター調整や rosbag を用いたデータ取得はシミュレーターと同様であるが， plotjuggler は GUI で使用するため，取得した rosbag を scp コマンドなどで raspberry Pi から取り出して， シミュレーションを行った手元のパソコンで実行する必要がある．

License

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