第 1 週はトピックだけを使いました。ROS 2 には、ほかにサービスとアクションという通信の形があります。この回では、ROS 2 に付いてくるシミュレーター turtlesim の亀を相手に、3 つを順に試して違いを確かめます。
| パターン | 向いていること | たとえると |
|---|---|---|
| トピック | センサーの値や速度指令のように、流し続けるもの | ラジオの放送 |
| サービス | 設定を 1 回頼む、情報を 1 回問い合わせる | 窓口で聞く |
| アクション | 時間のかかる仕事を頼み、途中経過を見ながら待つ。取り消せる | 出前を頼む（今どこか分かり、キャンセルもできる） |
第 1 週と同じく、コマンドを打つ前に予想をノートに書いてから試してください。何を予想すればよいかは、次の表のとおりです。各実験の結果の画面と説明は、「結果を見る」をクリックすると開きます。予想を書き、自分で実行してから開いてください。
| 実験 | 予想すること | 手がかり |
|---|---|---|
| 1. キーボードで動かす | ↑ キーや ← キーを押したとき、/turtle1/cmd_vel のどの数が変わるか。キーを離したとき、0 のメッセージが送られるか | 上の表の「トピック」。速度指令は、前に進む速さと回る速さでできています |
| 2. 速度を流し続ける | 同じ速度指令を送り続けると、亀はどんな線を描くか。送るのを止めると、亀は止まるか、動き続けるか | #03 の実験 6（送る側が止まっても、受ける側はエラーを出さない） |
| 3. サービスを呼ぶ | /spawn を呼んだとき、端末に何が返ってくるか。呼んだあと、コマンドはすぐ終わるか | 上の表の「サービス」（窓口で 1 回聞いて、1 回答えが返る） |
| 4. アクションを呼び、取り消す | 途中経過の「残りの角度」がどう変わるか。途中で取り消すと、亀はどの向きで止まるか | 上の表の「アクション」（途中経過が分かり、キャンセルできる） |
| 5. パラメータを変える | 背景の色は、パラメータを変えた直後に変わるか、/clear を呼んだあとに変わるか | パラメータは、動いているノードの設定値です。変えたときにどう動くかは、ノードの作り次第です |
| 6. 名前空間を付けて 2 つ動かす | ros2 node list と ros2 topic list に、どんな名前が出るか。2 つの名前はぶつかるか | #03 の実験 3 で、--ros-args -r でノードの名前を変えました |
予想は外れてかまいません。点になるのは、予想と結果が違ったときに「なぜ違ったか」を考えて書くところです。分からないときも空欄にせず、「分からない」と書いて、手がかりにしたことを 1 つ書きます。
授業で受ける人は、この回の記録を実習レポート（Word）の「第 3 回」のシートに書きます。スクリーンショットは、シートの中の「画面：」の欄（実験や記録の表のすぐ下）に貼ります。ひとりで学ぶ人も、予想と結果を同じ形でノートに残しておくと、あとで見返せます。
この回で撮っておく画面
動画は撮りません。そのかわり、下の画面を撮って残します。授業で受ける人は、実習レポートの「第 3 回」の、それぞれの「画面：」の欄に貼ります。ひとりで学ぶ人も、同じ画面を残しておくと、あとで値を見直せます。最初の 1 枚は、実習を始める前に端末で TZ=Asia/Tokyo date と打ち、日付と時刻が出た画面です。授業の日に実習したことの記録になります。講義用の環境の時計は世界標準時（UTC）なので、TZ=Asia/Tokyo を付けて日本時間で出します。
TZ=Asia/Tokyo dateの画面- キーを押しているときの
ros2 topic echo /turtle1/cmd_vel ros2 topic pubを Ctrl+C で止めた直後の turtlesim の画面/spawnを呼んだ端末の応答- アクションのフィードバックと、取り消した直後の表示
- 背景色が変わった turtlesim の画面
- turtlesim を 2 つ起動したときの
ros2 node list
実験 1 キーボードで動かし、流れているメッセージを見る
端末を 3 つ使います。1 つめで亀の画面を開き、2 つめでキーボード操作のノードを動かし、3 つめで速度指令のトピックを表示します。
- 端末 1 で
turtlesim_node（亀の画面）を起動する - 端末 2 で
turtle_teleop_key（キーボードで速度指令を送るノード）を起動する - 端末 3 で、速度指令のトピック
/turtle1/cmd_velに流れているメッセージを表示する - 端末 2 をクリックしてから矢印キーを押し、端末 3 の表示を見る。キーを押したときと、離したときの両方を見る
# 端末 1
ros2 run turtlesim turtlesim_node
# 端末 2
ros2 run turtlesim turtle_teleop_key
# 端末 3
ros2 topic echo /turtle1/cmd_vel
ros2 topic echo は、トピックに流れてくるメッセージを、届くたびに表示するコマンドです。キーは、必ず端末 2 をクリックしてから押してください。亀の画面や端末 3 をクリックしたまま押しても、キーボード操作のノードにはキーが届かず、亀は動きません。
結果を見る（予想を書き、自分で実行してから開く）
↑ キーで linear.x（前に進む速さ）、← → キーで angular.z（回る速さ）が入った geometry_msgs/msg/Twist 型のメッセージが送られています。Twist は、まっすぐ進む速さ（linear）と回る速さ（angular）を、それぞれ x・y・z の 3 つの数で表す型です。平面を動く亀が使うのは、このうち linear.x と angular.z だけです。
キーを押すたびに 1 つ送られ、亀はそれを受け取ったあと少しの間だけ動きます。キーを離すと新しいメッセージは表示されなくなります。0 の速度を送って止めているわけではありません。
実験 2 コマンドから速度を流し続けて、円を描かせる
実験 1 では、キーを押したときだけ指令が送られました。今度は、コマンドで同じ指令を送り続けたらどうなるか、送るのを止めたらどうなるかを調べます。
- 端末 2 の teleop と端末 3 の echo を Ctrl+C で止める（端末 1 の亀の画面は動かしたままにする）
- 端末 2 で
ros2 topic pubを使い、1 秒に 10 回、同じ速度指令を送り続ける - 亀の動きを見る
- 亀が動いている途中で、
ros2 topic pubの端末で Ctrl+C を押し、亀がどうなるかを見る
ros2 topic pub --rate 10 /turtle1/cmd_vel geometry_msgs/msg/Twist "{linear: {x: 1.0}, angular: {z: 1.0}}"
ros2 topic pub は、#03 の実験 4 で整数を送ったときと同じコマンドです。--rate 10 は「1 秒に 10 回送る」という意味です。"{linear: {x: 1.0}, angular: {z: 1.0}}" は、実験 1 で見た Twist の中身の書き方で、前に進む速さを 1.0、回る速さを 1.0 にしています。書かなかった数（linear.y など）は 0 になります。
結果を見る（予想を書き、自分で実行してから開く）
turtlesim は、最後に届いた指令を約 1 秒だけ使い、それより新しい指令が来なければ止まるように作られています。「指令が届かなくなったら止まる」かどうかは受ける側の作り次第で、ROS 2 が自動でしてくれるわけではありません。#03 の実験 6 を思い出してください。
実験 3 サービスで亀を増やし、画面を消す
ここからはサービスです。トピックと違い、サービスは「頼んだら 1 回答えが返ってくる」形です。次の順で進めます。
- 亀の画面を開き直す（端末 1 で Ctrl+C を押し、もう一度
ros2 run turtlesim turtlesim_nodeを実行する） - 端末 2 で
ros2 run turtlesim turtle_teleop_keyを実行し、亀を少し動かして軌跡（亀が通った線）を付ける - 端末 3 で
/spawnを呼び、亀を 1 匹増やす - 続けて
/clearを呼び、軌跡を消す
/spawn は、指定した場所に亀を増やすサービスです。亀の画面は、左下が (0, 0)、右上がおよそ (11, 11) の座標になっています。
ros2 service call /spawn turtlesim/srv/Spawn "{x: 2.0, y: 2.0, theta: 0.0, name: 'turtle2'}"
ros2 service call のあとには、サービスの名前（/spawn）、サービスの型（turtlesim/srv/Spawn）、要求の中身の順に書きます。中身の x・y は亀を置く位置、theta は向き（0 は右向き）、name は新しい亀の名前です。どんな項目があるかは、ros2 interface show turtlesim/srv/Spawn で見られます。--- より上が要求、下が応答の項目です。
ros2 service call /clear std_srvs/srv/Empty
結果を見る（予想を書き、自分で実行してから開く）
name='turtle2' が返っています
サービスは、頼む側（Client）が要求（Request）を 1 回送り、答える側（Server）が応答（Response）を 1 回返します。ros2 service call は応答が返るまで待ち、返ってきたら終わります。std_srvs/srv/Empty は、要求にも応答にも中身がない型です。
実験 4 アクションで向きを変え、途中で取り消す
最後の通信パターンはアクションです。時間のかかる仕事を頼み、途中経過を見て、途中で取り消すところまで試します。
- 端末 3 で、turtlesim が持っているアクションの一覧を出す（端末 1 の亀の画面と端末 2 の teleop は動かしたままでかまいません）
- 亀を 90° の向きまで回すアクションを呼び、途中経過と結果を見る
- 反対向きを目標にしてもう一度呼び、亀が回っている途中で Ctrl+C を押して取り消す
向きは、度ではなく rad（ラジアン）という単位で指定します。半周の 180° が約 3.14 rad（円周率 π）なので、90° は約 1.57 rad です。turtlesim では、右向きが 0 で、左回り（反時計回り）が正の向きです。
ros2 action list
ros2 action send_goal --feedback /turtle1/rotate_absolute turtlesim/action/RotateAbsolute "{theta: 1.57}"
ros2 action send_goal のあとには、アクションの名前、アクションの型、目標の中身の順に書きます。--feedback を付けると、途中経過も表示されます。
次に、反対向き（-1.57 rad）を目標にして送り、亀が回っている途中で Ctrl+C を押します。回り終わる前に押す必要があるので、Enter を押したら亀の画面を見て、すぐに押してください。
ros2 action send_goal --feedback /turtle1/rotate_absolute turtlesim/action/RotateAbsolute "{theta: -1.57}"
結果を見る（予想を書き、自分で実行してから開く）
remaining（残りの角度）が少しずつ 0 に近づき、最後に Result と SUCCEEDED が表示されます
Goal canceled. と表示され、CANCELED で終わります。亀は回りかけの向きで止まりますアクションは、目標（Goal）を送ると、引き受ける側が途中経過（Feedback）を何回も返し、終わったら結果（Result）を返します。途中で取り消し（Cancel）もできます。回転や移動のように時間がかかり、途中で「やっぱりやめて」と言う必要がある仕事に使います。
実験 5 パラメータで背景の色を変える
パラメータは、ノードが持っている設定値です。動いているノードの設定を、外から読んだり変えたりできます。次の順で試します。
- 端末 3 で、
ros2 param listを使って turtlesim が持っているパラメータの名前を一覧にする ros2 param setで、背景の赤の強さbackground_rを 200 にし、背景の色を見る/clearを呼び、色が変わるかを見る
背景の色は、赤（background_r）・緑（background_g）・青（background_b）の 3 つの強さを、それぞれ 0〜255 の数で混ぜて作っています。ros2 param set のあとには、ノードの名前、パラメータの名前、新しい値の順に書きます。
ros2 param list /turtlesim
ros2 param set /turtlesim background_r 200
色が変わったかどうかを見てから、/clear を呼びます。
ros2 service call /clear std_srvs/srv/Empty
結果を見る（予想を書き、自分で実行してから開く）
この環境の turtlesim（ROS 2 Humble）は、パラメータを変えた時点で背景を塗り直します。古い版の turtlesim では、/clear を呼ぶまで色が変わりませんでした。パラメータを変えたときに何が起きるかはノードの作り方で決まるので、試して確かめる必要があります。
実験 6 同じノードを名前空間で 2 つ動かす
名前空間は、ノードやトピックの名前の前に付ける「住所」のようなものです。同じプログラムを 2 つ動かすと、ふつうは名前がぶつかります。名前空間を付けて分けられるかを試します。
- いまの turtlesim と teleop を Ctrl+C で止める
- 端末 1 と端末 2 で、名前空間
/sim1と/sim2を付けて turtlesim を 1 つずつ起動する - 端末 3 で、ノードとトピックの一覧を出す
--ros-args -r は、#03 の実験 3 でノードの名前を置きかえたときと同じ書き方です。あのときは __node（ノードの名前）を置きかえました。今度は __ns（名前空間）を置きかえます。
# 端末 1
ros2 run turtlesim turtlesim_node --ros-args -r __ns:=/sim1
# 端末 2
ros2 run turtlesim turtlesim_node --ros-args -r __ns:=/sim2
# 端末 3
ros2 node list
ros2 topic list
結果を見る（予想を書き、自分で実行してから開く）
名前空間を付けると、ノードの名前もトピックの名前も、その名前空間の下に入ります。同じプログラムを 2 つ動かしても名前がぶつかりません。たとえば /sim1/turtle1/cmd_vel に速度指令を送ると、1 つめの亀だけが動きます。次の回は、これを使って 2 匹の亀を別々に動かします。
本質の問い
次の 4 つを、トピック・サービス・アクションのどれで作るのがよいか、理由と一緒に答えてください。理由には、この回のどの実験で見たことを根拠にしたかも書きます（レポートの表にも「根拠にした実験の番号」の欄があります）。
- LiDAR（周りの距離を測るセンサー）の距離データを送る
- ロボットの号機名を問い合わせる
- 「3 m 先まで歩いて」と頼む
- 歩く速さの上限を変える（パラメータを使う場合も含めて考える）
考えるときは、「何回やりとりするか（流し続けるか、1 回か）」「終わるまでに時間がかかるか」「途中でやめたくなることがあるか」の 3 つを、はじめの表と見比べてください。
もう 1 つ、実験 4 で取り消しができなかったら、ロボットでは何が困るかを書いてください。
考え方の例（答えを書いてから開く）
- 1：トピック。1 秒に何回も新しい値が出て、受ける側は最新の値を使い続けるため。
- 2：サービス。1 回聞いて 1 回答えがあればよく、流し続ける必要がないため。
- 3：アクション。歩き終わるまで時間がかかり、途中でどこまで進んだかを知りたく、危ないときは取り消したいため。
- 4：パラメータ（ノードの設定値）が合います。ただし、この講義のロボットでは、安全のための上限はロボット側のノードが持っていて、学生のノードからは変えられないようにしてあります（#08 で扱います）。
- 取り消し：人や壁に向かって歩き始めたときに、目標に着くまで止められなくなります。
まとめ
| トピック | サービス | アクション | |
|---|---|---|---|
| やりとり | 送りっぱなし | 要求 1 回・応答 1 回 | 目標・途中経過・結果、取り消し |
| コマンド | ros2 topic pub / echo | ros2 service call | ros2 action send_goal |
| この回の例 | /turtle1/cmd_vel | /spawn、/clear | /turtle1/rotate_absolute |
- パラメータは、動いているノードの設定を外から変える手段。変えたときの動きはノード次第
- 名前空間を付けると、同じノードを何個動かしても名前がぶつからない
次の回では、コードを 1 行も変えずに、名前空間と remap とパラメータだけで、2 匹の亀に大きさの違う正方形を描かせます。