ROS 2 実践コース｜#06 コードを変えずにつなぎ替える（launch）

前の回の実験 6 で、名前空間を付けると同じノードを 2 つ動かせることを確かめました。この回はその続きです。

課題：コードを 1 行も変えずに、square_walker で /sim1 の亀に正方形を、/sim2 の亀に 2 倍の大きさの正方形を描かせる launch ファイルを作る。

square_walker は、決まった時間だけ前に進んで 90° 回る、を繰り返して正方形を描くサンプルのノードです。来週はこの同じノードを、四足歩行ロボットに出します。

この回は、次の順で進めます。

4 では、コマンドを打つ前に予想を書きます。何を予想すればよいかは、次の表のとおりです。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。

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 4 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 4 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
• ros2 node list（4 つのノードと名前空間）
• rqt_graph（2 組の線が交差していないこと）
• ros2 param get で読んだ linear_speed と side_time
• スタート時の ros2 topic echo /sim1/turtle1/pose --once（theta）
• 1 周したあとの同じコマンドの theta
• パラメータを変えて 2 倍の正方形を歩かせたあとの turtlesim の画面

1. サンプルの launch ファイルを動かして読む

launch ファイルは、いくつものノードを、名前やパラメータを付けてまとめて起動するためのファイルです。これまでは、ノード 1 つごとに端末を開いて ros2 run を打っていました。launch ファイルを使うと、1 回のコマンドで全部を起動できます。この節では、次の 3 つをします。

1. サンプルの launch ファイルを起動し、亀が正方形を描くのを見る
2. launch ファイルの中身を読み、remap とパラメータがどこに書いてあるかを確かめる
3. square_walker のコードの一部を読み、コードに何が書かれていて、何が書かれていないかを確かめる

1-1. サンプルを起動する

ros2 launch のあとには、パッケージの名前と launch ファイルの名前を書きます。

ros2 launch sakigake_samples turtle_square.launch.py

square_walker は 2 周描くと自分で終わりますが、亀の画面は残ります。見終わったら、launch の端末で Ctrl+C を押します。launch で起動したノードは、Ctrl+C 1 回で全部止まります。

1-2. launch ファイルの中身を読む

この launch ファイルの中身です。

"""turtlesim の亀に正方形を描かせる（ロボットがなくても動く）。

ros2 launch sakigake_samples turtle_square.launch.py
"""
from launch import LaunchDescription
from launch_ros.actions import Node


def generate_launch_description():
    return LaunchDescription([
        Node(
            package='turtlesim',
            executable='turtlesim_node',
            name='turtlesim',
        ),
        Node(
            package='sakigake_samples',
            executable='square_walker',
            name='square_walker',
            output='screen',
            # square_walker は cmd_vel に出す。亀が聞いているのは /turtle1/cmd_vel なのでつなぎ替える
            remappings=[('cmd_vel', '/turtle1/cmd_vel')],
            parameters=[{
                'linear_speed': 1.0,
                'angular_speed': 0.8,
                'side_time': 2.0,
                'laps': 2,
            }],
        ),
    ])

• Node(...) 1 つが、ros2 run 1 回分にあたります。package と executable が、ros2 run のあとに書く 2 つ（パッケージと実行ファイル）です。
• name はノードの名前、output='screen' は、そのノードが出す表示を launch の端末に出すという意味です。
• remappings：square_walker は cmd_vel という名前のトピックに速度を出します。一方、亀が聞いているのは /turtle1/cmd_vel です。そこで、名前をつなぎ替えています。#03 の実験 3 で使った -r A:=B を、launch ファイルで書いたものです。
• parameters：前進の速さや 1 辺の時間などを、コードを変えずに外から渡しています。#05 の実験 5 で ros2 param set を使って動いているノードの設定を変えたのに対し、こちらは起動するときに渡します。

1-3. square_walker のコードを読む

square_walker のコードのうち、パラメータとトピックに関わる部分を抜き出すと次のとおりです。コードの中にはトピック名 cmd_vel しか書かれておらず、どの亀に出すかは書かれていません。

        self.declare_parameter('linear_speed', 0.5)   # 前進の速さ [m/s]
        self.declare_parameter('angular_speed', 0.8)  # 旋回の速さ [rad/s]
        self.declare_parameter('side_time', 2.0)      # 1辺を進む時間 [s]
        self.declare_parameter('laps', 1)             # 何周するか
        self.declare_parameter('rate', 10.0)          # 送信の周期 [Hz]
        ...
        # 90度回るのにかかる時間 = 角度 / 角速度
        self.turn_time = (math.pi / 2.0) / abs(self.angular_speed)
        ...
        self.publisher = self.create_publisher(Twist, 'cmd_vel', 10)

declare_parameter の 2 つめの数が、パラメータの初期値です。launch ファイルで値を渡さなかったパラメータは、この初期値のまま動きます。たとえばサンプルでは linear_speed を 1.0 にしているので、初期値の 0.5 ではなく 1.0 の速さで進みます。

2. 設計シートを書く

今回は launch ファイルの設計シートです。#04 ではノード 1 つに 1 枚書きましたが、今回は「どのノードを、どんな名前空間・remap・パラメータで起動するか」を 1 枚にまとめます。この節では、次の順で進めます。

1. 名前空間と、トピック名の先頭の / の関係を知る（remap を書くのに必要）
2. サンプルの launch ファイルを設計シートに書いたものを、例として 1 欄ずつ読む
3. 課題の設計シートを自分で書く。分からない欄は、AI に質問役をしてもらう

設計シートの形は次のとおりです。

■ 起動するノード
  名前空間 | パッケージ / 実行ファイル | remap | パラメータ
  ---------|--------------------------|-------|-----------
           |                          |       |
           |                          |       |

■ できあがるつながり（送る側 → トピック → 受ける側）

■ 検証の方法（実行するコマンドと、期待する結果）
  1.
  2.

■ 使った AI とプロンプト：

2-1. 名前の先頭の / と名前空間

トピックの名前には、先頭に / が付くものと、付かないものがあります。

• 先頭に / が付く名前（/turtle1/cmd_vel など）は、そのまま使われます。ノードにどんな名前空間を付けても変わりません。
• 先頭に / が付かない名前（turtle1/cmd_vel など）には、ノードの名前空間が前に付きます。名前空間が /sim1 なら /sim1/turtle1/cmd_vel になります。

#05 の実験 6 で、名前空間 /sim1 を付けた亀が /sim1/turtle1/cmd_vel を聞いていたのは、turtlesim のコードの中の名前が / なしで書かれているからです。remap の「つなぎ替え先」も同じ決まりで名前が決まります。課題の設計シートでは、ここがいちばん大事です。

2-2. 書き方の例：サンプルの launch ファイル

1 で読んだサンプル（亀 1 匹と square_walker 1 つ）を設計シートに書くと、次のようになります。

■ 起動するノード（2 つ）
  名前空間 | パッケージ / 実行ファイル            | remap                       | パラメータ
  ---------|--------------------------------------|-----------------------------|-----------------------------------
  なし     | turtlesim / turtlesim_node           | なし                        | なし
  なし     | sakigake_samples / square_walker     | cmd_vel → /turtle1/cmd_vel  | linear_speed 1.0, side_time 2.0, laps 2

■ できあがるつながり
  /square_walker → /turtle1/cmd_vel → /turtlesim

■ 検証の方法
  1. ros2 node list → /square_walker と /turtlesim の 2 つ
  2. ros2 topic info -v /turtle1/cmd_vel → 送る側 square_walker、受ける側 turtlesim が 1 つずつ
  3. rqt_graph → /square_walker → /turtle1/cmd_vel → /turtlesim とつながっている

■ 使った AI とプロンプト：（ここに書く）

それぞれの欄に何を書いたか、なぜそう書いたかは次のとおりです。

2-3. 自分で書く：課題の launch ファイル

同じ書き方で、課題（亀 2 匹と square_walker 2 つ）の設計シートを自分で書いてください。サンプルとの違いは次の 3 つです。

• 起動するノードが 4 つになる（亀 2 匹、square_walker 2 つ）
• それぞれのノードに名前空間 /sim1 か /sim2 を付ける
• /sim2 の正方形を 2 倍の大きさにする

1 辺の長さは「速さ × 時間」なので、2 倍にするには linear_speed を 2 倍にするか、side_time を 2 倍にします。どちらにするかは自分で決めてください。

remap の欄は、2-1 の決まりを使って考えます。名前空間 /sim1 の中の square_walker の出す先を /sim1/turtle1/cmd_vel にしたいとき、つなぎ替え先の先頭に / を付けるとどうなるか、付けないとどうなるかを、それぞれ書き出してから決めてください。

2-4. 分からない欄は、AI に聞き返してもらう

分からない欄があっても、空欄のまま AI に「書いて」と頼んではいけません。AI が勝手に決めた値になり、自分で決めたことになりません。#04 の「分からない欄は、AI に聞き返してもらう」と同じように、AI に質問役をしてもらい、1 欄ずつ自分で答えて埋めていきます。書けたところまでのシートとサンプルの設計シートを、次のプロンプトに貼って AI に渡します。

ROS 2 の launch ファイルの設計シートを書いています。分からない欄があるので、手伝ってください。
次のルールを守ってください。
・答えを先に書かないでください。空欄を 1 つずつ取り上げて、私に質問してください。
・私が「分からない」と答えたら、その欄が何を決めるものかを高校生にも分かる言葉で説明し、選ぶための手がかりを出してから、もう一度聞いてください。
・私の答えがおかしいと思ったら、どこがおかしいかを言って聞き返してください。
・全部の欄が埋まったら、シート全体を書き出してください。

作るもの：同じ square_walker ノードを 2 つ起動し、名前空間 /sim1 の亀に正方形、/sim2 の亀に 2 倍の大きさの正方形を描かせる launch ファイル（ROS 2 Humble）
square_walker のコードは変えません。square_walker は cmd_vel というトピックに速度を出し、パラメータ linear_speed・angular_speed・side_time・laps・rate を持っています。
亀（turtlesim_node）は turtle1/cmd_vel で速度を受け取ります。
参考にしたサンプルの設計シートは次のとおりです。
（ここにサンプルの設計シートを貼る）

私が書いたところまでの設計シート：
（ここに書きかけのシートを貼る）

1. AI の質問に、自分の言葉で答える。当てずっぽうで答えず、分からないときは「分からない」と言う
2. 説明を読んでも納得できなければ、「なぜそうするのですか」「ほかの書き方はありますか」と聞き返す
3. 最後に AI が書き出したシートを、自分で確かめる。とくに remap のつなぎ替え先の先頭の / を、2-1 の決まりで確かめる

使ったプロンプトと、聞き返されて自分で決めたこと（「linear_speed のほうを 2 倍にしたのは、描き終わるまでの時間をそろえたいから」など）は、シートの「使った AI とプロンプト」の欄と、レポートの「C. AI とのやりとり」に書いておきます。

記入例（自分で書いてから開く）

■ 起動するノード（4 つ）
  名前空間 | パッケージ / 実行ファイル            | remap                      | パラメータ
  ---------|--------------------------------------|----------------------------|-----------------------------------
  /sim1    | turtlesim / turtlesim_node           | なし                       | なし
  /sim2    | turtlesim / turtlesim_node           | なし                       | なし
  /sim1    | sakigake_samples / square_walker     | cmd_vel → turtle1/cmd_vel  | linear_speed 1.0, side_time 2.0, laps 2
  /sim2    | sakigake_samples / square_walker     | cmd_vel → turtle1/cmd_vel  | linear_speed 2.0, side_time 2.0, laps 2

■ できあがるつながり
  /sim1/square_walker → /sim1/turtle1/cmd_vel → /sim1/turtlesim
  /sim2/square_walker → /sim2/turtle1/cmd_vel → /sim2/turtlesim

■ 検証の方法
  1. ros2 node list → 4 つのノードがすべて名前空間の下にある
  2. ros2 topic info -v /sim1/turtle1/cmd_vel → 送る側 /sim1 の square_walker、受ける側 /sim1 の turtlesim が 1 つずつ
  3. rqt_graph → /sim1 と /sim2 の線が交差していない
  4. ros2 param get /sim2/square_walker linear_speed → 2.0

■ 使った AI とプロンプト：（ここに書く）

この記入例では、side_time ではなく速さ（linear_speed）を 2 倍にしています。remap のつなぎ替え先は turtle1/cmd_vel で、先頭に / を付けていません。こうすると名前空間が前に付き、/sim1 の中では /sim1/turtle1/cmd_vel、/sim2 の中では /sim2/turtle1/cmd_vel になります。

3. AI に launch ファイルを作らせる

この節では、2 で書いた設計シートを AI に渡して launch ファイルを書かせ、設計シートと突き合わせてから保存します。やることは次の 3 つです。

1. AI に頼む
2. 返ってきた launch ファイルを、設計シートと突き合わせる
3. VSCodium に貼って、~/ros2_ws/two_squares.launch.py に保存する

3-1. AI に頼む

Windows 側のブラウザで AI を開き、次のプロンプトの最後に自分の設計シートを貼って送ります。

次の設計シートどおりに、ROS 2 Humble の Python の launch ファイル two_squares.launch.py を書いてください。
square_walker のコードは変えません。
パッケージには入れず、ros2 launch でファイルの場所を指定して起動できるようにしてください。
設計シートにないノードやパラメータは足さないでください。

（ここに設計シートを貼る）

AI が返した launch ファイルの一例を、下に閉じて載せています。まず自分で AI に頼み、返ってきたものを読んでから開いて見比べてください。AI や聞き方によって書き方は変わりますが、設計シートどおりなら、同じように動きます。

"""/sim1 の亀に正方形、/sim2 の亀に 2 倍の正方形を描かせる。

ros2 launch ~/ros2_ws/two_squares.launch.py
"""
from launch import LaunchDescription
from launch_ros.actions import Node


def generate_launch_description():
    return LaunchDescription([
        Node(package='turtlesim', executable='turtlesim_node', namespace='sim1', name='turtlesim'),
        Node(package='turtlesim', executable='turtlesim_node', namespace='sim2', name='turtlesim'),
        Node(
            package='sakigake_samples',
            executable='square_walker',
            namespace='sim1',
            name='square_walker',
            output='screen',
            # 名前空間の中で cmd_vel → turtle1/cmd_vel（先頭に / を付けないので /sim1/turtle1/cmd_vel になる）
            remappings=[('cmd_vel', 'turtle1/cmd_vel')],
            parameters=[{'linear_speed': 1.0, 'angular_speed': 0.8, 'side_time': 2.0, 'laps': 2}],
        ),
        Node(
            package='sakigake_samples',
            executable='square_walker',
            namespace='sim2',
            name='square_walker',
            output='screen',
            remappings=[('cmd_vel', 'turtle1/cmd_vel')],
            # 時間は同じで速さを 2 倍にすると、1 辺の長さが 2 倍になる
            parameters=[{'linear_speed': 2.0, 'angular_speed': 0.8, 'side_time': 2.0, 'laps': 2}],
        ),
    ])

3-2. 設計シートと突き合わせる

返ってきた launch ファイルを、保存する前に設計シートと 1 行ずつ突き合わせます。見るところは次の 4 つです。

• Node(...) が 4 つあり、package と executable がシートの「パッケージ / 実行ファイル」と同じか
• namespace：シートの名前空間と同じか
• remappings：つなぎ替え元が cmd_vel、つなぎ替え先がシートと同じか（先頭の / も含めて）
• parameters：シートに書いたパラメータの名前と値が同じか。シートにないパラメータが足されていないか

特に remap の行を見てください。先頭に / がない名前には名前空間が付くので、turtle1/cmd_vel なら /sim1/turtle1/cmd_vel になります（2-1）。

よくある間違いは、サンプルのまま /turtle1/cmd_vel と書いてしまうことです。先頭が / の名前には名前空間が付かないので、2 つの square_walker がどちらも /turtle1/cmd_vel に出してしまい、どちらの亀も動きません。しかもエラーは出ません。

説明できない行があったら、そのままにせず AI に「この行は何をしていますか」と聞き返してください。設計シートと違うところを見つけたら、どこが違ったかをレポートの「C. AI とのやりとり」に書きます。

3-3. VSCodium に貼って保存する

作ったファイルは ~/ros2_ws/two_squares.launch.py に保存します。launch ファイルは、パッケージに入れなくても、ファイルの場所を指定すれば起動できます。パッケージに入れないので、ビルド（colcon build）も要りません。まだ無いファイルなので、#04 の「3-3. VSCodium に貼って保存する」と同じように、名前を付けて開きます。

codium ~/ros2_ws/two_squares.launch.py

AI の答えは Windows 側のブラウザに出るので、noVNC のクリップボードの入力欄に貼ってから、VSCodium の中で Ctrl+V を押します（#00 の「4. ブラウザのデスクトップの使い方」）。貼ったら Ctrl+S で保存します。保存しないと、ファイルはできません。

4. 動かして、つながりを確かめる

自分の launch ファイルで 4 つのノードを起動し、設計シートの「検証の方法」のとおりになっているかを、コマンドで 1 つずつ確かめます。

1. launch ファイルを起動する
2. 亀が歩いている間に、別の端末でノードの一覧・rqt_graph・トピックの相手・パラメータを調べる（4-1〜4-4）
3. 描き終わった正方形の大きさを比べる（4-5）
4. 亀を 1 周だけ歩かせ直し、向きがどれだけずれるかを測る（4-6）

ros2 launch ~/ros2_ws/two_squares.launch.py

square_walker は 1 辺ごとに前進 2 秒と旋回およそ 2 秒をくり返し、2 周（8 辺）描くと終わります。記入例の設定なら、30 秒ほどです。終わると square_walker はノードの一覧から消えるので、4-1〜4-4 はその前に打ちます。間に合わなかったときは、launch の端末で Ctrl+C を押し、もう一度起動し直せば何度でもやり直せます。コマンドは、起動する前に別の端末に打っておき、起動したら Enter を押すだけにしておくと間に合います。

4-1. ノードの一覧

ros2 node list

/sim1/square_walker
/sim1/turtlesim
/sim2/square_walker
/sim2/turtlesim

4-2. rqt_graph

rqt_graph

rqt_graph が開いたら、#03 の実験 1 と同じように、左上のメニューを「Nodes/Topics (active)」にして更新ボタンを押します。

結果を見る（予想を書き、自分で実行してから開く）

4-3. トピックの相手

ros2 topic info -v /sim1/turtle1/cmd_vel

結果を見る（予想を書き、自分で実行してから開く）

4-4. パラメータ

ros2 param get は、動いているノードのパラメータの値を読むコマンドです。#05 の実験 5 の ros2 param set と同じく、ノードの名前、パラメータの名前の順に書きます。名前空間の付いたノードなので、ノードの名前は /sim1/square_walker のように名前空間から書きます。

ros2 param get /sim1/square_walker linear_speed
ros2 param get /sim1/square_walker side_time
ros2 param get /sim2/square_walker linear_speed
ros2 param get /sim2/square_walker side_time

Node not found と出たら、square_walker がもう描き終わって止まっています。launch を起動し直してから打ってください。

4-5. 描いた正方形

2 匹とも描き終わったら、2 つの亀の画面を並べて、正方形の大きさを比べます。

結果を見る（予想を書き、自分で実行してから開く）

4-6. 1 周で向きがどれだけずれるかを測る

正方形を 1 周すると、亀は 90° を 4 回回るので、元の向きに戻るはずです。本当に戻るかを、亀の向き theta を読んで確かめます。

1. launch は止めずに、2 匹とも描き終わるまで待つ（亀の画面は残っています）
2. 別の端末で、/sim1 の亀の向きを読む（スタートの theta）
3. /sim1 の亀だけを、square_walker でもう 1 周歩かせる
4. 描き終わったら、もう一度向きを読む（ゴールの theta）
5. /sim2 の亀でも、2〜4 を同じようにする

亀の位置と向きは、/sim1/turtle1/pose というトピックに流れています。--once を付けると、メッセージを 1 つだけ表示して終わります。表示される x・y が位置、theta が向き（rad）です。

ros2 topic echo /sim1/turtle1/pose --once

次に、/sim1 の亀だけを 1 周歩かせます。launch ファイルに書いた名前空間・remap・パラメータを、ros2 run の書き方で付けています。__ns は #05 の実験 6、-r は #03 の実験 3、-p はパラメータを渡す書き方です（#04 の -p start:=100 と同じ）。laps:=1 で 1 周だけにしています。

ros2 run sakigake_samples square_walker --ros-args -r __ns:=/sim1 -r cmd_vel:=turtle1/cmd_vel -p linear_speed:=1.0 -p side_time:=2.0 -p laps:=1

「正方形を描き終えました」と表示されたら、もう一度 ros2 topic echo /sim1/turtle1/pose --once を打って、ゴールの theta を読みます。/sim2 の亀では、/sim1 を /sim2 に、パラメータを自分の設計シートの /sim2 の値に変えて、同じことをします。

ずれは、「ゴールの theta − スタートの theta」を度に直して書きます。1 rad はおよそ 57.3° です。theta は -3.14〜3.14（-180°〜180°）の範囲で表されるので、ちょうど左向きのあたりでは、3.1 から -3.1 のように符号が飛ぶことがあります。そのときは、差に 360° を足すか引くかして、小さいほうのずれにします。読んだ値は、レポートの「1 周したあとの亀の向き」の表に書きます。

結果を見る（予想を書き、自分で実行してから開く）

この例では、theta が 1 周で約 -0.20 rad 変わりました。度に直すと約 -11.6° で、亀は元の向きより時計回りにずれています。/sim2 の亀でも同じく約 -11.6° で、何周させても毎回ほぼ同じだけずれました。

スタートの theta が 0 でないのは、launch で 2 周したときのずれ（約 -23°）が残っているからです。測りたいのは 1 周の前後の差なので、スタートが 0 でなくてもかまいません。

5. 課題に答える

1. 2 倍の正方形にするために、linear_speed と side_time のどちらを変えましたか。もう一方を変えた場合と、何が違いますか。
2. 正方形の角の位置は、少しずれることがあります。なぜでしょうか。4-6 で読んだ theta の値を使って説明してください。
3. 同じ square_walker をロボットに出すと（第 6 回、#08）、ずれは大きくなるでしょうか、小さくなるでしょうか。予想と理由を書いてください。

手がかりです。1 は、1 辺の長さ・描き終わるまでの時間・亀の速さの 3 つで比べます。2 は、1-3 のコードで square_walker が 90° 回ったことをどうやって決めているか（亀の実際の向きを見ているか）を読み直します。3 は、亀はシミュレーターの中で指令どおりの速さで回りますが、ロボットは脚で床を蹴って回る、という違いから考えます。3 の答えは第 6 回で確かめます。

来週への予告

来週は、同じ square_walker を四足歩行ロボット DOGZILLA S2 に出します。ロボットは /cmd_vel で速度指令を聞いています。そのとき remap はどう書けばよいか、考えてきてください。

まとめ

コードを変えずに、つなぎ方と設定だけで違う仕事をさせられることが、ROS 2 でノードを小さく分けて作る理由の 1 つです。