Isaac Sim에서 Nav2로 자율주행 테스트

목차

https://docs.nav2.org/getting_started/index.html#installation

 

Nav2 Getting Started

Installation

1. ROS 2 바이너리 패키지 설치

2. Nav2 패키지를 설치 ( <ros2-distro>를 사용 중인 ROS 2 배포판에 맞게 교체하면 된다. 예 - foxy, humble 등 )

sudo apt install ros-<ros2-distro>-navigation2 sudo apt install ros-<ros2-distro>-nav2-bringup

 

3. Gazebo용 Turtlebot 패키지 설치

💡Gazebo란?
로봇 시뮬레이션을 위한 오픈 소스 소프트웨어. 실제 로봇 하드웨어 없이도 가상 환경에서 로봇의 움직임, 센서, 환경 상호작용 등을 시뮬레이션할 수 있게 해준다.

Gazebo의 주요 특징

- 물리 엔진 (Physics Engine)
- 3D 시각화센서
- 시뮬레이션
- ROS와의 통합 (ROS Integration)
- 멀티로봇 시뮬레이션 (Multi-Robot Simulation) 

• Jazzy 이상 버전 (ROS 2 Humble, Iron 등) 에서는  Gazebo Modern용 Turtlebot 3 및 4 패키지를 설치 ( nav2_bringup 명령어와 함께 자동으로 설치 )
• sudo apt install ros-<ros2-distro>-nav2-minimal-tb*

Iron 및 이전 버전 의 경우 Gazebo Classic용 Turtlebot 3 패키지를 설치

sudo apt install ros-humble-nav2-minimal-tb*

sudo apt install ros-humble-turtlebot3-gazebo

 

Running the Example

 

1. GUI 환경에서 터미널을 연다.

2. 환경 변수 설정 (Iron 이하 버전의 경우)

source /opt/ros/<ros2-distro>/setup.bash export TURTLEBOT3_MODEL=waffle # Iron and older only with Gazebo Classic export GAZEBO_MODEL_PATH=$GAZEBO_MODEL_PATH:/opt/ros/humble/share/turtlebot3_gazebo/models # Iron and older only with Gazebo Classic

 

3. Nav2 시뮬레이션 실행

ros2 launch nav2_bringup tb3_simulation_launch.py headless:=False

• 이 명령어는 Nav2의 AMCL localizer와 함께 TurtleBot3를 시뮬레이션
• Gazebo와 RViz도 자동으로 실행

그러나 다음과 같은 ERROR 가 발생하는 것을 볼 수 있었다. gazebo_ros 패키지, gzclient 파일이 없다는 것이었다. 

 

 

해결책

 

처음에는 ROS 2 Humble 을 사용하고 있어 Jazzy 이상 버전 지침과 호환이 되는 줄 알았는데 알고보니 Iron 지침을 따라야했다.

따라서 아래 명령어를 통해 필요한 패키지들을 다시 설치해준다.

sudo apt install ros-humble-turtlebot3-gazebo

 

시뮬레이션이 정상적으로 시작되면 RViz와 Gazebo 두 개의 GUI가 열린다.

• RViz: 로봇 상태, 센서 데이터, 지도 등을 시각화할 수 있는 도구
• Gazebo: 로봇의 물리적 동작을 시뮬레이션하는 환경

 

 

 

만약 RViz가 자동으로 시작되지 않거나, "Startup" 버튼이 보인다면, RViz의 왼쪽 하단에 있는 "Startup" 버튼을 클릭해야 Nav2가 활성화된다.

 

이후 로봇 상태가 "Active"로 변경되며, 지도(Map)가 나타남

Navigating

초기 위치 설정 (2D Pose Estimate)

Gazebo에서 로봇의 초기 위치를 확인한 후, RViz에서 해당 위치를 2D Pose Estimate 기능을 사용해 설정.

확인한 Gazebo 위치(X, Y, 방향(Yaw))를 대략적으로 기억 RViz에서 "2D Pose Estimate" 버튼을 클릭하고, 지도의 원하는 위치를 클릭하면 클릭 위치가 로봇의 시작 위치가 된다.

 

Nav2 활성화 확인

초기 위치 설정을 완료하면 RViz에서 로봇과 Particle Cloud(로봇 위치 추정 클라우드)를 확인

• RViz에서 Transform 및 Costmap(로봇의 이동 경로와 장애물 정보를 포함한 맵) 정보를 확인
• 로봇의 상태와 주변 환경이 RViz에서 실시간으로 업데이트

목표 지점 설정 (Navigation Goal 설정)

• 목표 지점을 설정하려면, RViz에서 "Navigation2 Goal" 버튼을 클릭
• 그런 다음, 지도에서 원하는 목표 지점 위치를 클릭하여 로봇이 그 지점으로 이동하도록 설정
• 목표 지점이 설정되면 Nav2의 행동 트리 (Behavior Tree)와 액션 서버가 활성화되어 로봇은 설정된 목표 지점으로 이동을 시작

 

 

[결과]

이동전 → 이동후

ROS2 내비게이션

필수 조건

• 이 ROS2 탐색 샘플은 ROS2 Foxy와 Humble에서만 지원
• 이 샘플을 실행하려면 Nav2 프로젝트가 필요.
• 확장 프로그램 관리자omni.isaac.ros2_bridge 창 에서 창 > 확장 프로그램 으로 이동하여 확장 프로그램을 활성화
• 이 튜토리얼에는 Omniverse Isaac Sim 다운로드의 일부로 제공되는 carter_navigation, iw_hub_navigation및 ROS2 패키지가 필요
  • humble_ws 내에 필요한 실행 파일, 탐색 매개변수 및 로봇 모델이 포함
• ROS2 workspace environment 설정 확인하기
  • 작업공간 설정
  • cd humble_ws source install/local_setup.bash

Nav2 설정

이 블록 다이어그램은 Nav2에 필요한 ROS2 메시지를 보여준다.

ROS2 Topic	ROS2 Message Type
/tf	tf2_msgs/TFMessage
/odom	nav_msgs/Odometry
/map	nav_msgs/OccupancyGrid
/point_cloud	sensor_msgs/PointCloud
/scan	sensor_msgs/LaserScan (published by an external pointcloud_to_laserscan node)

Occupancy Map

Occupancy Map Generator

장면(Scene)의 특정 높이에서 이 지역이 점유되었는지 여부를 이진 형식으로 나타내는 점유 맵을 생성한다.

• 상단 메뉴 바에서 Isaac Utils > Occupancy Map을 클릭하여 점유 맵 확장에 접근
• Extension Manager에서 omni.isaac.occupancy_map이 활성화되어 있는지 확인

주요 작동 규칙 및 주의사항

1. 충돌 활성화 필수 : 모든 기하학적 구조(Geometry)는 Collisions Enabled 상태여야 점유 맵 생성기에서 감지
2. 시작 위치(Start Location) 확인 : 점유 맵의 시작 위치는 점유되어 있어서는 안된다. 물리 메쉬 확인을 위해서는 뷰포트 창에서 Show/Hide (눈 아이콘) → Show By Type > Physics Mesh > All을 선택하여 물리 기하학을 시각화

Occupancy Map window

Occupancy Map Generator UI 주요 항목

• Origin (원점) : An open location inside of the area you wish to map
• Lower/Upper Bound (하한/상한 경계)
  • 이 경계를 벗어난 영역은 맵핑되지 않는다.
  • 최대 경계를 설정하지만 실제 맵핑된 영역은 선택된 Prim 및 설정 값에 따라 작을 수 있다.
• Positioning (위치 지정)
  • CENTER TO SELECTION: 선택된 Prim 또는 Prims의 중심으로 원점을 이동
  • BOUND SELECTION: 선택된 Prim 또는 Prims를 포함하도록 경계를 업데이트
• Cell Size (셀 크기)
  • 최종 이미지의 각 픽셀이 나타내는 실제 거리(미터)
  • 값이 작을수록 더 정밀한 맵이 생성됩니다.
• Occupancy Map (점유 맵 생성)
  • CALCULATE: 점유 맵을 계산
  • VISUALIZE IMAGE: 계산된 맵을 미리 보고 이미지를 저장할 수 있는 새 창을 연다.
• Use PhysX Collision Geometry (PhysX 충돌 기하학 사용)
  • True(기본값): PhysX 기반 라이다가 현재 충돌 기하학을 사용하여 맵을 생성
  • False: 충돌 기하학을 일시적으로 제거하고 RTX 라이다가 원래 삼각형 메쉬를 사용해 맵을 생성

시각화 창

• 점유된 색상 : "점유된" 공간을 나타내기 위해 선택된 색상
• 자유공간 색상 : 비점유 공간(로봇이 이동 가능한 공간)을 나타내기 위해 선택된 색상
• 알 수 없는 색상 : 중간 공간이나 "알 수 없는" 공간을 나타내기 위해 선택된 색상
• 이미지 회전 : 이미지 공간의 좌표를 회전 .예를 들어, 180º로 설정하면 ROS 좌표계를 기준으로 점유 맵의 방향이 소스(Stage)의 원래 방향과 일치하게 조정
• 좌표 유형 : 정보 창에서 출력 형식을 결정.
  • Stage Space Coordinates: Stage 공간의 좌표를 반환
  • ROS Occupancy Map Parameters File: ROS 점유 맵에서 필요한 YAML 형식의 매개변수를 반환
• 이미지 다시 생성 : 스테이지를 변경한 경우 이미지와 정보 창을 다시 생성
• 이미지 저장 : 이미지를 저장하기 위해 파일 선택기 인터페이스를 염

---

점유 맵 생성 절차

1.시나리오 로드

Isaac Examples -> ROS2 -> Navigation -> Carter Navigation 경로로 이동하여 Nova Carter 로봇이 있는 창고 시나리오를 로드

 

2. 카메라 설정

뷰포트 좌상단에서 Camera를 클릭하고 Top 뷰를 선택

 

3.Occupancy Map Extension 열기

상단 메뉴에서 Isaac Utils -> Occupancy Map을 클릭하여 점유 맵 확장을 염

 

4. 파라미터 설정

• Origin: X: 0.0, Y: 0.0, Z: 0.0으로 설정
• Lower Bound: Z: 0.1로 설정
• Upper Bound: Z: 0.62로 설정. (이는 Lidar의 지면과의 수직 거리와 일치하도록 설정한 값.)

5. Prim 선택 및 경계 업데이트

Stage에서 warehouse_with_forklifts Prim을 선택

점유 맵 확장에서 BOUND SELECTION 버튼을 클릭하여 선택된 Prim에 맞게 경계를 업데이트

 

 

6. Nova Carter Prim 제거

점유 맵 생성에 방해되지 않도록 Nova_Carter_ROS Prim을 Stage에서 제거

 

7. 점유 맵 계산 및 시각화

CALCULATE 버튼을 클릭하여 점유 맵을 계산

VISUALIZE IMAGE 버튼을 클릭하여 시각화 팝업을 염

 

 

 

8. 이미지 회전 및 좌표 형식 설정

• Rotate Image: 180도 설정 (ROS 카메라 좌표계와 Isaac Sim 카메라 좌표계 간 차이를 보정.)
• Coordinate Type: ROS Occupancy Map Parameters File (YAML)을 선택.

9. 이미지 재생성

RE-GENERATE IMAGE 버튼을 클릭하여 설정된 좌표와 회전에 맞게 이미지를 재생성.

 

10. YAML 파일 생성

점유 맵 매개변수를 복사하여 carter_navigation/maps/carter_warehouse_navigation.yaml 파일로 저장.

image: carter_warehouse_navigation.png
resolution: 0.05
origin: [-11.975, -17.975, 0.0000]
negate: 0
occupied_thresh: 0.65
free_thresh: 0.196

 

복사한 내용을 YAML 파일에 붙여넣음.

 

11. 이미지 저장

 

Save Image 버튼을 클릭하여 이미지를 carter_navigation/maps/carter_warehouse_navigation.png로 저장

 

 

 

 

다음은 Nav2를 사용하여 Nova Carter 로봇을 작은 창고 환경에서 실행하는 절차이다.

Nav2 실행

Nav2 with Nova Carter in Small Warehouse

1. 메뉴에서 Isaac Examples -> ROS2 -> Navigation -> Carter Navigation을 선택하여 창고 시뮬레이션 환경과 Nova Carter 로봇을 로드
2. Play 버튼을 클릭하여 시뮬레이션을 시작
3. Isaac Sim이 실행 중인 상태에서 새 터미널 창을 열고 아래 명령어를 입력하여 Nav2를 시작
   • 이 명령어는 RViz2를 열고 점유 맵(Occupancy Map)을 로드
   • RViz2가 실행되면 점유 맵이 자동으로 로드
4. ros2 launch carter_navigation carter_navigation.launch.py
5. 로봇의 초기 위치는 carter_navigation_params.yaml에 정의되어 있으므로 보통 추가 설정 없이 자동으로 로봇이 올바르게 로컬라이즈된다. 만약 요구된다면 RViz2에서 2D Pose Estimate 버튼을 클릭하여 초기화
6. Navigation2 Goal 로 원하는 목적지 선택
7. Nav2가 경로를 생성하며, 로봇이 설정된 목표 지점으로 이동하기 시작

트러블 슈팅

 

discarding message because the queue is full 메시지

 

discarding message because the queue is full 메시지

ROS2 토픽에서 데이터의 퍼블리셔와 서브스크라이버 간 처리 속도가 맞지 않아서 발생하는 문제. 이 문제는 특히 라이다(LiDAR)와 같은 고속으로 데이터를 생성하는 센서에서 흔히 발생한다고 한다.

 

해결

CPU, RAM, 네트워크 등의 시스템 리소스 부족인 것 같아서

쉬었다가 다시 시작하니 해결되었다.

 

[최종 결과]

Nav2가 궤적을 생성하고 로봇이 목적지를 향해 이동하는 모습