ROS 2 実践コース｜#10 記録して、ロボットなしで考える（rosbag）

#07 で、Wi-Fi の具合によって /scan の届き方が変わることを確かめました。それに、ノードを少し直すたびにロボットを置き直し、電源を入れて試していては、時間がいくらあっても足りません。

そこでこの回は、ロボットのデータを一度だけ記録し、そのあとはロボットにつながずに記録を再生してノードを作ります。記録と再生には rosbag（ros2 bag コマンド）を使います。

1. ロボットの周りに箱を置き、30 秒ほど記録する（実験 1）
2. 記録に何が入っているかを読む（実験 2）
3. ロボットから切り離し、記録を RViz で再生する（実験 3）
4. 記録を使って、前方の障害物までの距離を表示するノードを作る（課題）

この回も、ロボットは動かしません。

どの実験も、コマンドを打つ前に「どうなるか」の予想をノートに書いてください。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。

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。実験 1 は記録をとる作業なので、予想はいりません。

授業で受ける人は、この回の記録を実習レポート（Word）の「第 8 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 8 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 と、つないだ直後の robot-status
• ros2 bag info（記録時間と件数）
• 記録を再生しているときの ros2 topic hz /scan
• 自分のノードの出力（ros2 run front_check front_nearest の端末）
• scan_monitor と自分のノードを並べた画面（同じ場面の 2 つの値）
• 再生を一時停止したときの、自分のノードの表示

この回で使うもの

実験 1　30 秒記録する

この実験は、次の順に進めます。

1. ロボットを囲いの中の床に置き、周りに箱を並べる（ロボットは歩かせない）
2. ロボットにつなぎ、robot-status で確かめる
3. 記録用のフォルダ ~/bags を作って移動する
4. ros2 bag record で 30 秒ほど記録する。途中で箱を 1 つ動かす

ロボットを囲いの中の床に置き、周りに箱を並べます。ロボットにつないだら、robot-status でブリッジが動作中かを確かめ、その画面を回の頭の 1 枚として撮ります。続けて、記録用のフォルダを作って移動します（mkdir -p と && は #09 の実験 3 と同じです）。ros2 bag record は、コマンドを打った場所に記録のフォルダを作るので、先に移動しておきます。

robot-connect
robot-status
mkdir -p ~/bags && cd ~/bags

robot-connect は、IP を付けないと前回つないだ IP につなぎます。OLED の 2 行目の IP が前回と変わっていたら（ホットスポットを立て直したときなど）、robot-connect 192.168.137.134 のように IP を付けて打ちます。

次のコマンドで記録を始めます。30 秒ほどたったら Ctrl+C で止めます。記録している途中で、箱を 1 つだけ動かしてください。動かした時刻をメモしておきます。箱を動かすのは、あとで自分のノードを確かめるときに「場面が変わったら値も変わるか」を見るためです。動かすときは、ロボットの脚や LiDAR に手や箱を当てないようにします。

ros2 bag record -o room_scan /scan /tf /tf_static /joint_states

記録できるのは、ここに並べたトピックだけです。あとで「あれも記録しておけばよかった」とならないように、何に使うかを考えてから選びます。

実験 2　記録に何が入っているかを読む

ロボットから切り離してから、記録の中身を表示します。

robot-disconnect
ros2 bag info room_scan

ros2 bag info は、記録したファイルを読むだけなので、ロボットにつながっていなくても使えます。見るところは、記録した時間の Duration と、下の Topic information の各行にある Count（そのトピックのメッセージが何件入っているか）です。

結果を見る（予想を書き、自分で実行してから開く）

考える：/scan は 1 秒に何回届いていたか

Duration と、/scan の Count から、記録していた間の /scan の平均の周波数を計算してください。#07 の実験 3 で ros2 topic hz で測った値と合っているでしょうか。/tf も同じように計算してみます。

実験 3　ロボットなしで再生する

この実験は、次の順に進めます。

1. ロボットから切り離されていることを確かめる
2. 端末 1 で記録をくり返し再生する
3. 端末 2 で RViz を起動し、再生した点を表示する
4. 端末 3 で ros2 topic hz /scan を測り、実験 2 で計算した周期と比べる

再生する前に、robot-disconnect でロボットから切り離しておきます。つないだままだと、ロボットから届く今の /scan と、記録から再生した /scan が同じ名前で混ざってしまいます。実験 2 で切り離していれば、そのままで大丈夫です。心配なときは robot-status で確かめます。

端末 1 で記録を再生します。--loop は、最後まで再生したら最初に戻ってくり返す指定です。

# 端末 1
cd ~/bags
ros2 bag play room_scan --loop

端末 2 で RViz を起動し、#09 の実験 4 と同じように Fixed Frame・TF・LaserScan を設定します（#09 で設定を保存した人は rviz2 -d ファイル名）。RobotModel は、記録に /robot_description を入れていないので表示できません。追加しないか、追加してあればチェックを外します。

# 端末 2
rviz2

端末 3 で、再生している /scan の周期を測ります。数行出たら Ctrl+C で止め、average rate を書きます。

# 端末 3
ros2 topic hz /scan

結果を見る（予想を書き、自分で実行してから開く）

記録の途中で箱を動かした場面では、点の並びが変わります。--loop でくり返すので、同じ場面を何度でも見られます。

端末 3 の average rate は、記録していたときとほぼ同じになります（実験 2 で計算した周期）。ros2 bag play は、記録したときの時刻の間隔をそのまま再現して送るからです。

端末 1 でスペース キーを押すと再生を一時停止でき、もう一度押すと続きから再生します。課題の検証で使います。

課題　前方でいちばん近い物体までの距離を表示するノード

記録を使って、次のノードを作ります。

ロボットの前方 ±30° の範囲で、いちばん近い物体までの距離を、1 秒に 1 回表示する。

#04 と同じく、自分で決めるのは「何を作るか」と「できたものが決めたとおりか」です。コードは AI に書かせてかまいません。次の順に進めます。

1. /scan の 1 回分の中身を読む
2. 設計シートを書く（分からない欄は、AI に聞き返してもらいながら自分で決める）
3. AI にコードを書かせ、設計シートと突き合わせてからパッケージに入れる
4. 記録を再生しながら動かし、設計シートの「検証の方法」で確かめる
5. サンプルの scan_monitor と同じ場面で比べる

/scan の中身を確かめる

設計する前に、/scan の 1 回分の中身を見ておきます。端末 1 で記録を再生したまま、端末 3（実験 3 で ros2 topic hz を測った端末）で次を実行します。端末 2 の RViz は開いたままにしておきます。

ros2 topic echo --once /scan

$ ros2 topic echo --once /scan
（ranges と intensities の数字の列は省いた）
header:
  stamp:
    sec: 1789480703
    nanosec: 15327125
  frame_id: laser_frame
angle_min: 0.0033161682076752186
angle_max: 6.274807453155518
angle_increment: 0.013936647213995457
time_increment: 0.00022498289763461798
scan_time: 0.1012423038482666
range_min: 0.05000000074505806
range_max: 20.0

i 番目の点（0 から数える）の角度は angle_min + i × angle_increment です。角度は laser_frame の x 軸を 0 として、上から見て反時計回り（左回り）に増えます。

設計シートを書く

#04 と同じ形の設計シート（#04 の「1. 設計シートを書く」の白紙）を使います。#04 の counter や even_printer とちがって、このノードには新しく決めることがいくつかあります。次の表の欄は必ず書いてください。「何を書くか」と「なぜ要るか」を読んでから、自分の値を決めます。#04 の白紙に無い「前方の判定」と「測れていない点」の 2 つは、白紙の「座標系」の下に「■ 前方の判定」「■ 測れていない点」と見出しを自分で足して書きます。

■ 受け取るもの
  トピック名 | 型                          | QoS         | 期待する周期
  -----------|-----------------------------|-------------|-------------
  /scan      | sensor_msgs/msg/LaserScan   | best effort | 5 Hz

分からない欄は、AI に聞き返してもらう

#04 と同じく、空欄のまま AI に「書いて」と頼んではいけません。AI に質問役をしてもらい、1 欄ずつ自分で答えて埋めます。#04 のプロンプトを、このノード用に書きかえたものが次です。/scan について自分で調べた結果と、書けたところまでのシートを貼って渡します。

ROS 2 のノード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。

作るノード：LiDAR の /scan を受け取り、ロボットの前方 ±30° の範囲でいちばん近い物体までの距離を、1 秒に 1 回表示するノード（ROS 2 Humble・Python）
/scan について私が調べたこと：
（ここに ros2 topic info -v /scan の結果と、ros2 topic echo --once /scan で見た angle_min・angle_max・angle_increment・range_min・range_max 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）

とくに「前方」の欄は、AI には分かりません。自分のロボットの LiDAR がどちらを向いていたかは、#09 の実験 5 で自分が見た結果だけが根拠です。AI が「0° が正面です」と言っても、そのまま書かずに自分の記録と見比べてください。

AI に作らせて、パッケージに入れる

パッケージの作り方とビルドは #04 と同じです。パッケージ名とファイル名は、ここでは front_check と front_nearest にします（自分で決めた名前でもかまいません。そのときは、下のコマンドとプロンプトの名前も合わせて変えます）。/scan の型 LaserScan は sensor_msgs というパッケージに入っているので、--dependencies に sensor_msgs を入れます。パッケージの作成からビルド、ノードの起動までは、端末 3 で続けて行います。

cd ~/ros2_ws/src
ros2 pkg create --build-type ament_python --node-name front_nearest front_check --dependencies rclpy sensor_msgs

AI には、次のプロンプトの最後に自分の設計シートを貼って渡します。

次の設計シートどおりに、ROS 2 Humble で動く Python（rclpy）のノードを書いてください。
パッケージ名は front_check、ファイルは front_check/front_nearest.py です。
設計シートにないトピックやパラメータは足さないでください。

（ここに自分の設計シートを貼る）

返ってきたコードは、パッケージに入れる前に設計シートと突き合わせます。見るところは次の 4 つです。説明できない行があったら、AI に「この行は何をしていますか」と聞き返します。

• create_subscription：型が LaserScan、トピック名が scan（/scan と書いても同じトピックになる）、QoS がシートと同じか
• 角度の計算：angle_min + i * angle_increment で角度を出し、シートに書いた「前方」の判定をしているか
• inf・nan・範囲外の値を、シートどおりに取り除いているか
• create_timer：1 秒ごとに表示しているか

突き合わせたら、#04 の「3-3」と同じようにひな形の front_nearest.py を開いて中身を置き換え、Ctrl+S で保存してからビルドします。

codium ~/ros2_ws/src/front_check/front_check/front_nearest.py

cd ~/ros2_ws && colcon build --symlink-install && source install/setup.bash

記録で検証する

1. 端末 1 で ros2 bag play room_scan --loop を動かしたまま、ビルドして source した端末 3 で ros2 run front_check front_nearest を実行して自分のノードを起動する。
2. 箱を動かした場面で、表示される距離が変わるかを確かめる。RViz でその場面の点と見比べる。
3. 端末 1 でスペース キーを押して再生を一時停止し、自分のノードの表示がどうなるかを見る。止まったままの値を出し続けるのか、何も出なくなるのかを書く。
4. わざと範囲を ±90° にしたり、正面を 180° にしたりして、値が予想どおりに変わるかも試す。コードの値を書きかえて保存し、端末 3 のノードを Ctrl+C で止めて、上の colcon build の行を打ち直してから起動し直す。試し終えたら、設計シートの値に戻す。
5. 自分のノードを動かしたまま、新しい端末で ros2 topic info -v /scan を打つ。受ける側（Subscription）に自分のノードが出ていて、その Reliability が設計シートの QoS と同じかを見る。

4 つめ（範囲と正面を変える）の予想の手がかりです。範囲を広げると、「いちばん近い」を探す点が増えます。そのとき、いちばん近い距離は大きくなることがあるか、ないかを考えます。正面を 180° にしたときは、scan_monitor の 4 方向（前・左・後・右）のどれと同じくらいの値になるはずかを予想します。

サンプルと比べる

自分のノードができたら、同じ記録を再生しながら、サンプルの scan_monitor と比べます。scan_monitor は前・左・後・右の 4 方向それぞれで、±30° の範囲のいちばん近い距離を表示します。

ros2 run sakigake_samples scan_monitor

自分のノードの「前」の値が、scan_monitor の「前」と同じくらいになっているかを確かめます。scan_monitor は新しい端末で起動し、端末 3 の自分のノードと同時に動かして、同じ場面の値を並べて撮ります。

結果を見る（予想を書き、自分で実行してから開く）

$ ros2 run sakigake_samples scan_monitor
[INFO] [1789480968.161041463] [scan_monitor]: 前  0.42 m | 左  0.18 m | 後  0.50 m | 右  0.69 m | 450 点 | 5 Hz
[INFO] [1789480969.131299325] [scan_monitor]: 前  0.41 m | 左  0.19 m | 後  0.49 m | 右  0.69 m | 450 点 | 5 Hz
[INFO] [1789480970.131942426] [scan_monitor]: 前  0.41 m | 左  0.18 m | 後  0.50 m | 右  0.69 m | 450 点 | 5 Hz
（中略）
[INFO] [1789480973.134441728] [scan_monitor]: 前  0.43 m | 左  0.19 m | 後  0.49 m | 右  0.69 m | 448 点 | 5 Hz

行の右端の 450 点 は 1 回分の点の数（448 のように回ごとに少し変わる）、5 Hz はその 1 秒間に届いた /scan の数です。

#09 の実験 5 で LiDAR の 0° が正面からずれていた場合は、scan_monitor に正面の角度を渡します（例は 5° ずれていたとき）。正面に置いた箱の点が、赤い矢印より左（反時計回り）に出たら ＋、右に出たら − の値にします。

ros2 run sakigake_samples scan_monitor --ros-args -p front_angle_deg:=5.0

def normalize_angle(angle):
    """角度 [rad] を -π〜π の範囲に直す。"""
    return math.atan2(math.sin(angle), math.cos(angle))


def sector_min(ranges, angle_min, angle_increment, center, half_width, range_min, range_max):
    nearest = math.inf
    for index, distance in enumerate(ranges):
        angle = angle_min + index * angle_increment
        if abs(normalize_angle(angle - center)) > half_width:
            continue
        if is_valid_range(distance, range_min, range_max):
            nearest = min(nearest, distance)
    return nearest

本質の問い

授業の最後に、次の 2 つに答えてください。

• 記録を使えば、ロボットや Wi-Fi の具合に左右されずにノードを試せる。では、記録の再生では確かめられないことは何か。1 つ挙げ、理由を書く。
• この課題のノードを、第 5 週で「前に障害物があったら止まる」ノードに育てるとする。記録で先に確かめておくべきことを 2 つ挙げる。

つまずきやすい点

まとめ

次の週は、今日作ったノードを出発点に、センサーの値から行動を決めるノード（scan_avoid）の構造を読み、記録と実機の両方で確かめます。