【ROS2講座⑦】RViz2、Gazeboで3D可視化【Python】

前回はrosbag2とrqtを学びました。

これまでの章で、Turtlesimやrqtを使って「ノード」「トピック」「通信」を理解してきました。
この章では、ROS2の3D可視化ツール RViz2（アールヴィズツー） を使って、
ロボットの位置やセンサー情報を 3次元的に“見る” 方法を学びます。

RViz2は、ROSの世界で最も重要なツールの1つです。
センサー、地図、ロボットモデル、軌跡などをリアルタイムで表示でき、
ロボット開発・デバッグ・研究に欠かせません。

RViz2とは

RViz2（ROS Visualization 2） は、ROS2環境で動作する3Dビジュアライザです。

RViz2はrqtよりも高機能で、3D空間上で動きを直感的に確認できます。

ROS2がインストールされていれば、RViz2も自動的に入っています。

以下で起動できます。

ros2 run rviz2 rviz2

RViz2のウィンドウは3つの領域で構成されています。

基本操作は以下の通りです。

RViz2でTurtleBot3を3D表示

ROS2で標準的に用意されているロボットモデル TurtleBot3 を使って、
センサーや座標の表示、動作の可視化を体験します。

TurtleBot3 は、ROS公式が提供する教育・研究向け移動ロボットです。
GazeboやRViz2で動作確認が可能で、
現実のロボットを持っていなくてもシミュレーション体験ができます。

まず、TurtleBot3関連パッケージをインストールします。
（Humbl環境向け）

sudo apt update

sudo apt install -y ros-humble-turtlebot3* ros-humble-rviz2

* を付けることで、モデル・Bringup・Description・Gazebo など一式が入ります。

環境変数を設定します。

echo "export TURTLEBOT3_MODEL=burger" >> ~/.bashrc

source ~/.bashrc

TurtleBot3の3DモデルをRViz2で直接表示してみましょう。

export TURTLEBOT3_MODEL=burger

ros2 launch turtlebot3_fake_node turtlebot3_fake_node.launch.py

RViz2が起動し、TurtleBot3のモデルが中央に表示されます。
左パネルには TF, LaserScan, Odometry, Map などが並びます。

「TF」はロボットの“骨格”のようなもので、
各センサー・関節・ホイールの位置関係を定義しています。

別の端末を開き、Teleop（キーボード操作ノード）を実行します。

export TURTLEBOT3_MODEL=burger

ros2 run turtlebot3_teleop teleop_keyboard

以下の通りキーボード入力を行うと表示されたモデルが動きます。

Control Your TurtleBot3!
---------------------------
Moving around:
        w
   a    s    d
        x

w/x : 前進／後退  
a/d : 左右旋回  
s   : 停止

/cmd_vel トピックに速度コマンドが送られ、
Fake Node 上のロボットが実際に動きます。RViz2 上でも移動を確認できます。

• turtlebot3_teleop は、キー入力を受けて /cmd_vel に geometry_msgs/Twist 型の速度指令を送ります。

• turtlebot3_fake_node は、受け取った速度指令に基づいて仮想ロボットを動かし、位置情報（/odom）や座標変換（/tf）を配信します。

• robot_state_publisher は、ロボットの構造情報（URDF）を基にリンク位置を計算し、RViz2でモデルを描くために必要です。

• RViz2 は、これらの情報を統合してリアルタイム表示を行います。

Gazeboシミュレーションでロボットを動かす

Gazebo（ガゼボ） は、ROSと連携できる本格的な3Dロボットシミュレーターです。
ロボットモデル（URDF）・物理エンジン・センサーシミュレーションを統合して、
「実機がなくてもリアルな挙動を試せる」ことが最大の特徴です。

Gazeboのインストール

ROS2 Humble では Gazebo Classic が標準的に使用されます。
以下のコマンドで必要な TurtleBot3 関連パッケージをまとめて導入します。

sudo apt update

sudo apt install -y \
  ros-humble-gazebo-ros-pkgs \
  ros-humble-gazebo-plugins \
  ros-humble-turtlebot3-gazebo

モデルの指定

Gazebo と TurtleBot3 は連携するため、まずモデル名を環境変数で指定します。

export TURTLEBOT3_MODEL=burger

以下でGazeboを起動しつつ、TurtleBot3を読み込みます。

ros2 launch turtlebot3_gazebo empty_world.launch.py

これで次のような構成が自動で立ち上がります。

ウィンドウ上に小さな TurtleBot3 が表示されれば成功です。

こちらのモデルもトピックを送信すると動きます。

別のターミナルで以下を実行します。

export TURTLEBOT3_MODEL=burger

ros2 launch turtlebot3_gazebo empty_world.launch.py

キーボード操作で動けばロボットが動けば成功です。

続いて、Gazebo上に障害物を置いてみましょう。

円柱を選択し、適当な位置をクリックすると円柱の障害物を配置できます。

するとロボットから発射されたレーザー光が障害物で止まっている様子が確認できます。

RViz2でセンサーを可視化（LaserScan）

ロボットが周囲の環境を認識するために使う代表的なセンサーが LIDAR（ライダー） です。
レーザーを水平に照射して、反射までの距離を計測し、周囲の障害物の位置を点群データとして取得します。

ROS2ではこのデータが
sensor_msgs/msg/LaserScan というメッセージ型で /scan トピックとして送信されます。

Gazeboシミュレータ上で検出しているLiderの情報をRviz上で確認することができます。

上のGazebo上で障害物を検出している状態でRvizを起動します。

ros2 run rviz2 rviz2

起動したらFixd FrameをOdomにします。

AddからLaseScanを選択します。

表示するTopicで/Scanを選択します。

画面上に赤い点群が表示され、Gazeboと連携してセンサを可視化することができます。

トピックのリマップ機能の活用

Gazebo上のロボットですが、正しいトピック名を発信すれば、簡単に動かすことができます。

以前作成した、turtle_vel_publisherで円運動をさせてみましょう。

Gazeboを起動します。

export TURTLEBOT3_MODEL=burger

ros2 launch turtlebot3_gazebo empty_world.launch.py

別の端末で以下のコマンドを打ちます。

ros2 run turtle_playground turtle_vel_publisher \
  --ros-args \
  -r /turtle1/cmd_vel:=/cmd_vel \
  -p radius:=2.0

• -r /turtle1/cmd_vel:=/cmd_vel が“トピック名だけを差し替える”指定です。

• もし speed や ang_vel などのパラメータがある場合は同様に -p speed:=0.2 -p ang_vel:=0.2 などで与えてください。

• 円運動の半径は r = v / ω（直進速度 / 角速度）で決まります。

Gazebo上のロボットが自動で走り出せば成功です。

課題10

turtle_vel_publisher を書き換えて Gazebo の TurtleBot3 を動かしてください。

• 既存の turtle_vel_publisher を最小限改造し、/cmd_vel に geometry_msgs/Twist をPublish。
• Gazebo 上の TurtleBot3（burger）を円運動させる。

ノードは /cmd_vel に Twist を一定周期でPublish（例：10Hz）。

直進速度 speed と角速度 omega をパラメータ化（起動時に変更できる）。

import rclpy
from rclpy.node import Node
from geometry_msgs.msg import Twist

class TurtleVelPublisher(Node):
    def __init__(self):
        super().__init__('turtle_vel_publisher')
        # ★ パラメータ（起動時に変更可）
        self.declare_parameter('speed', 0.15)   # m/s
        self.declare_parameter('omega', 0.30)   # rad/s
        self.declare_parameter('topic', '/cmd_vel')  # 変更したい場合だけ使う

        topic = self.get_parameter('topic').get_parameter_value().string_value
        self.pub = self.create_publisher(Twist, topic, 10)

        self.timer = self.create_timer(0.1, self._on_timer)  # 10 Hz
        self.get_logger().info(
            f'Publishing Twist to {topic} (speed={self.speed:.2f} m/s, omega={self.omega:.2f} rad/s)'
        )

    @property
    def speed(self):
        return self.get_parameter('speed').get_parameter_value().double_value

    @property
    def omega(self):
        return self.get_parameter('omega').get_parameter_value().double_value

    def _on_timer(self):
        msg = Twist()
        msg.linear.x = self.speed
        msg.angular.z = self.omega
        self.pub.publish(msg)

def main():
    rclpy.init()
    node = TurtleVelPublisher()
    try:
        rclpy.spin(node)
    except KeyboardInterrupt:
        pass
    finally:
        node.get_logger().info('Shutting down turtle_vel_publisher')
        node.destroy_node()
        rclpy.shutdown()

if __name__ == '__main__':
    main()

ros2 run turtle_playground turtle_vel_publisher --ros-args -p speed:=0.15 -p omega:=0.3

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