ROS 2 Jazzy와 Gazebo Harmonic에서 TurtleBot3 시뮬레이션

ROS 2 Jazzy와 Gazebo Harmonic에서 TurtleBot3 시뮬레이션 실행 및 제어하기

앞선 과정에서 Windows 11의 WSL2에 Ubuntu 24.04를 설치하고 ROS 2 Jazzy와 Gazebo Harmonic까지 구성했습니다.

 

이번에는 이 환경에 TurtleBot3 시뮬레이션 패키지를 설치하고 Gazebo에 TurtleBot3 Burger 모델을 불러온 뒤, ROS 2의 /cmd_vel Topic과 키보드 Teleop을 이용하여 로봇을 직접 움직여 봅니다.

 

전체적인 실습 구조는 다음과 같습니다.

Windows 11
    │
    └── WSL2
          │
          └── Ubuntu 24.04
                 │
                 ├── ROS 2 Jazzy
                 │
                 ├── Gazebo Harmonic
                 │
                 └── TurtleBot3
                        │
                        ├── Gazebo Simulation
                        │
                        ├── /cmd_vel
                        ├── /odom
                        ├── /tf
                        └── /scan

이번 실습에서 가장 중요한 것은 단순히 가상 로봇을 움직이는 것이 아니라 ROS 2에서 Node → Topic → Message → Robot으로 명령이 전달되는 과정을 이해하는 것입니다.

 

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ROS 2 환경 확인

먼저 Ubuntu 터미널을 실행합니다.

Windows PowerShell에서 다음과 같이 실행할 수 있습니다.

wsl -d Ubuntu-24.04

Ubuntu가 실행되면 홈 디렉터리로 이동합니다.

cd ~

ROS 2 환경을 불러옵니다.

source /opt/ros/jazzy/setup.bash

ROS 배포판을 확인합니다.

echo $ROS_DISTRO

정상적으로 설치되어 있다면 다음과 같이 나타납니다.

jazzy

Gazebo도 확인합니다.

gz --version

ROS-Gazebo 연동 패키지도 확인합니다.

ros2 pkg list | grep ros_gz

ros_gz_sim, ros_gz_bridge 등의 패키지가 나타나면 됩니다.

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TurtleBot3 패키지 확인

먼저 Ubuntu 24.04의 ROS 2 Jazzy 저장소에서 TurtleBot3 관련 패키지를 검색합니다.

apt search ros-jazzy-turtlebot3

현재 환경에서는 다음과 같은 주요 패키지들을 확인할 수 있습니다.

ros-jazzy-turtlebot3-msgs
ros-jazzy-turtlebot3-navigation2
ros-jazzy-turtlebot3-node
ros-jazzy-turtlebot3-simulations
ros-jazzy-turtlebot3-teleop

특히 시뮬레이션에서는 다음 패키지가 중요합니다.

ros-jazzy-turtlebot3-simulations

키보드 제어에는 다음 패키지를 사용합니다.

ros-jazzy-turtlebot3-teleop

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TurtleBot3 시뮬레이션 패키지 설치

다음과 같이 설치합니다.

sudo apt update

sudo apt install -y \
  ros-jazzy-turtlebot3 \
  ros-jazzy-turtlebot3-msgs \
  ros-jazzy-turtlebot3-simulations

설치가 완료되면 ROS 2에서 TurtleBot3 패키지를 확인합니다.

ros2 pkg list | grep turtlebot3

여러 패키지 중 다음 패키지가 있는지 확인합니다.

turtlebot3_gazebo
turtlebot3_teleop

Gazebo 패키지를 직접 확인할 수도 있습니다.

ros2 pkg prefix turtlebot3_gazebo

바이너리 패키지로 정상 설치되었다면 일반적으로 다음 경로가 나타납니다.

/opt/ros/jazzy

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TurtleBot3 모델 선택

TurtleBot3에는 여러 모델이 있습니다.

이번 실습에서는 가장 기본적인 Burger 모델을 사용합니다.

현재 터미널에서 다음을 실행합니다.

export TURTLEBOT3_MODEL=burger

확인합니다.

echo $TURTLEBOT3_MODEL

다음과 같이 출력되면 정상입니다.

burger

이 환경변수는 현재 터미널을 종료하면 사라집니다.

Ubuntu를 실행할 때마다 자동으로 설정하려면 .bashrc에 추가합니다.

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

적용합니다.

source ~/.bashrc

다시 확인합니다.

echo $TURTLEBOT3_MODEL

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Gazebo Launch 파일 확인

ROS 2와 Gazebo는 버전에 따라 launch 파일 이름과 내부 구성이 달라질 수 있습니다.

따라서 인터넷에 있는 오래된 명령을 바로 사용하는 것보다 현재 설치되어 있는 launch 파일을 직접 확인하는 것이 안전합니다.

다음 명령을 실행합니다.

ls -l /opt/ros/jazzy/share/turtlebot3_gazebo/launch/

더 자세하게 확인하려면 다음과 같이 합니다.

find /opt/ros/jazzy/share/turtlebot3_gazebo \
  -maxdepth 2 -type f | sort

여기에서 실제 설치되어 있는 .launch.py 파일들을 확인할 수 있습니다.

대표적으로 다음과 같은 파일을 사용할 수 있습니다.

empty_world.launch.py
turtlebot3_world.launch.py
turtlebot3_house.launch.py

설치된 버전에 따라 파일 목록은 달라질 수 있으므로 실제 출력 결과를 기준으로 실행합니다.

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TurtleBot3 World 실행

TurtleBot3 전용 World를 실행해 봅니다.

export TURTLEBOT3_MODEL=burger

그리고 다음을 실행합니다.

ros2 launch turtlebot3_gazebo turtlebot3_world.launch.py

현재 TurtleBot3 시뮬레이션의 launch 구조에서는 ros_gz_sim을 이용하여 Gazebo를 시작하고 World와 TurtleBot3 모델을 불러옵니다.

따라서 정상적인 경우 별도로 gz sim을 먼저 실행할 필요가 없습니다.

개념적으로 다음과 같이 동작합니다.

ros2 launch
     │
     ├── Gazebo Harmonic 실행
     │
     ├── TurtleBot3 World 로드
     │
     ├── TurtleBot3 모델 Spawn
     │
     └── robot_state_publisher 실행

잠시 기다리면 Windows 화면에 Gazebo GUI가 나타나고 World 안에 TurtleBot3 Burger가 표시됩니다.

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Gazebo 화면이 나타나면 터미널을 종료하지 않는다

중요한 부분입니다.

다음 명령을 실행한 터미널은 계속 실행 상태로 두어야 합니다.

ros2 launch turtlebot3_gazebo turtlebot3_world.launch.py

이 터미널에서 Ctrl+C를 누르면 시뮬레이션이 종료될 수 있습니다.

따라서 로봇을 제어하기 위해 두 번째 Ubuntu 터미널을 엽니다.

Windows Terminal을 사용한다면 Ubuntu 탭을 하나 더 열면 편리합니다.

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두 번째 터미널에서 ROS 환경 설정

새 터미널에서 다음을 실행합니다.

source /opt/ros/jazzy/setup.bash

모델도 설정합니다.

export TURTLEBOT3_MODEL=burger

.bashrc에 이미 등록했다면 자동으로 설정되어 있으므로 다음과 같이 확인만 하면 됩니다.

echo $ROS_DISTRO
echo $TURTLEBOT3_MODEL

결과가 다음과 같으면 됩니다.

jazzy
burger

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실행 중인 ROS 2 Node 확인

다음 명령을 실행합니다.

ros2 node list

현재 시뮬레이션에서 실행되고 있는 ROS Node를 확인할 수 있습니다.

ROS에서 Node는 특정 기능을 수행하는 하나의 실행 단위라고 볼 수 있습니다.

예를 들어 로봇 상태를 전달하는 Node, 센서 데이터를 처리하는 Node, 키보드 명령을 전달하는 Node 등이 서로 독립적으로 동작하면서 Topic을 통해 데이터를 주고받습니다.

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ROS 2 Topic 확인

다음 명령을 실행합니다.

ros2 topic list

TurtleBot3 시뮬레이션이 정상적으로 실행되고 있다면 구성에 따라 다음과 같은 Topic을 확인할 수 있습니다.

/cmd_vel
/odom
/tf
/tf_static
/scan
/clock

각 Topic은 서로 다른 역할을 합니다.

/cmd_vel
    로봇의 이동 속도 명령

/odom
    로봇의 이동 거리와 자세를 나타내는 Odometry

/tf
    로봇 각 좌표계 사이의 변환 정보

/tf_static
    고정된 좌표계 변환 정보

/scan
    LiDAR 센서의 거리 측정 데이터

/clock
    시뮬레이션 시간

---

/cmd_vel Topic 이해하기

TurtleBot3의 이동에서 가장 중요한 Topic 중 하나가 /cmd_vel입니다.

cmd_vel은 Command Velocity의 의미로 로봇에게 어느 방향으로 어느 속도로 움직일 것인지 전달합니다.

Topic의 메시지 타입을 확인합니다.

ros2 topic type /cmd_vel

일반적으로 다음과 같은 메시지 타입을 사용합니다.

geometry_msgs/msg/Twist

Twist 메시지는 크게 두 종류의 속도를 가지고 있습니다.

Twist
 │
 ├── linear
 │    ├── x
 │    ├── y
 │    └── z
 │
 └── angular
      ├── x
      ├── y
      └── z

TurtleBot3 Burger는 차동구동 로봇이므로 주로 다음 두 값을 사용합니다.

linear.x
angular.z

linear.x는 전진과 후진 속도이고 angular.z는 좌우 회전 속도입니다.

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키보드 Teleop 실행

이제 키보드로 TurtleBot3를 움직여 봅니다.

두 번째 Ubuntu 터미널에서 다음을 실행합니다.

ros2 run turtlebot3_teleop teleop_keyboard

정상적으로 실행되면 터미널에 키보드 조작 방법이 나타납니다.

이 터미널에 키보드 포커스를 둔 상태에서 이동 키를 누르면 Gazebo의 TurtleBot3가 움직입니다.

이 과정은 다음과 같습니다.

사용자 키보드
      │
      ▼
turtlebot3_teleop
      │
      │
      │ geometry_msgs/msg/Twist
      ▼
   /cmd_vel
      │
      ▼
TurtleBot3 Controller
      │
      ▼
Gazebo Harmonic
      │
      ▼
TurtleBot3 이동

즉, 키보드 입력이 Gazebo에 직접 전달되는 것이 아닙니다.

turtlebot3_teleop이라는 ROS 2 Node가 키보드 입력을 받아 Twist 메시지를 만들고 이를 /cmd_vel Topic으로 Publish하는 것입니다.

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/cmd_vel 메시지 실시간 관찰

Teleop이 실제로 어떤 명령을 보내는지 확인할 수 있습니다.

세 번째 Ubuntu 터미널을 하나 더 엽니다.

ROS 환경을 적용합니다.

source /opt/ros/jazzy/setup.bash

다음 명령을 실행합니다.

ros2 topic echo /cmd_vel

이제 Teleop 터미널에서 이동 키를 눌러 봅니다.

다음과 비슷한 메시지가 나타납니다.

linear:
  x: 0.01
  y: 0.0
  z: 0.0
angular:
  x: 0.0
  y: 0.0
  z: 0.0

회전 명령을 보내면 angular.z 값이 변합니다.

이를 통해 실제로

Keyboard
   ↓
Teleop Node
   ↓
Twist Message
   ↓
/cmd_vel
   ↓
Robot

구조로 동작하고 있다는 것을 확인할 수 있습니다.

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ROS 2 명령으로 TurtleBot3 직접 움직이기

Teleop을 사용하지 않고 터미널에서 직접 /cmd_vel Topic에 메시지를 Publish할 수도 있습니다.

먼저 Teleop 프로그램을 Ctrl+C로 종료합니다.

전진 명령을 다음과 같이 보냅니다.

ros2 topic pub --rate 10 \
/cmd_vel \
geometry_msgs/msg/Twist \
"{linear: {x: 0.2}, angular: {z: 0.0}}"

여기서

linear.x = 0.2
angular.z = 0.0

이므로 로봇은 직진합니다.

--rate 10은 초당 10번 메시지를 발행한다는 의미입니다.

실행 구조는 다음과 같습니다.

ROS 2 CLI
    │
    │ Twist
    ▼
 /cmd_vel
    │
    ▼
TurtleBot3
    │
    ▼
   전진

실험을 중단하려면 Ctrl+C를 누릅니다.

---

TurtleBot3 정지시키기

정지 명령은 선속도와 각속도를 모두 0으로 지정합니다.

ros2 topic pub --once \
/cmd_vel \
geometry_msgs/msg/Twist \
"{linear: {x: 0.0}, angular: {z: 0.0}}"

여기서 --once는 메시지를 한 번만 Publish한다는 의미입니다.

---

TurtleBot3 제자리 회전

로봇을 제자리에서 회전시켜 봅니다.

ros2 topic pub --rate 10 \
/cmd_vel \
geometry_msgs/msg/Twist \
"{linear: {x: 0.0}, angular: {z: 0.5}}"

이번에는

linear.x = 0.0
angular.z = 0.5

이므로 앞으로 이동하지 않고 회전합니다.

반대 방향으로 회전하려면 다음과 같이 음수 값을 사용합니다.

ros2 topic pub --rate 10 \
/cmd_vel \
geometry_msgs/msg/Twist \
"{linear: {x: 0.0}, angular: {z: -0.5}}"

---

직진하면서 회전시키기

선속도와 각속도를 동시에 주면 곡선으로 이동합니다.

ros2 topic pub --rate 10 \
/cmd_vel \
geometry_msgs/msg/Twist \
"{linear: {x: 0.15}, angular: {z: 0.4}}"

이번에는

linear.x  = 0.15
angular.z = 0.4

가 동시에 적용되므로 TurtleBot3가 곡선을 그리면서 이동합니다.

이를 통해 차동구동 로봇의 기본적인 이동 원리를 이해할 수 있습니다.

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Odometry 확인

TurtleBot3가 이동하면 로봇의 위치 변화에 관한 정보도 발생합니다.

다음 명령을 실행합니다.

ros2 topic echo /odom

/odom은 Odometry의 약자로 바퀴의 이동 등을 이용하여 로봇의 위치와 자세 변화를 표현합니다.

개념적으로 다음과 같습니다.

Wheel Movement
      │
      ▼
   Odometry
      │
      ▼
    /odom
      │
      ▼
Position + Orientation

로봇을 움직이면서 /odom 데이터를 확인하면 위치와 자세 값이 계속 변하는 것을 볼 수 있습니다.

---

LiDAR 데이터 확인

TurtleBot3 Burger 시뮬레이션에서 LiDAR 데이터가 정상적으로 제공되는 경우 다음 Topic을 확인할 수 있습니다.

ros2 topic list | grep scan

/scan이 존재한다면 다음과 같이 확인합니다.

ros2 topic echo /scan

LaserScan 메시지에는 주변 장애물까지의 거리 정보가 포함됩니다.

Gazebo World
     │
     ▼
Virtual LiDAR
     │
     ▼
LaserScan
     │
     ▼
   /scan

이 데이터는 이후 SLAM과 Navigation2에서 매우 중요하게 사용됩니다.

---

RViz2에서 확인하기

새 Ubuntu 터미널을 열어 다음을 실행합니다.

rviz2

RViz2에서는 ROS 2를 통해 전달되는 다양한 정보를 시각적으로 확인할 수 있습니다.

대표적으로 다음과 같은 데이터를 추가할 수 있습니다.

RobotModel
TF
LaserScan
Odometry
Path
Map

Gazebo와 RViz2의 역할은 다릅니다.

                 ROS 2
                   │
       ┌───────────┴───────────┐
       │                       │
       ▼                       ▼
    Gazebo                   RViz2
       │                       │
물리 시뮬레이션             데이터 시각화
       │                       │
 ┌─────┼─────┐          ┌──────┼──────┐
 │     │     │          │      │      │
Robot World Sensor      TF   LiDAR   Odom

Gazebo에서는 로봇이 실제 환경처럼 움직이는 모습을 볼 수 있고 RViz2에서는 ROS 2가 주고받는 데이터를 시각적으로 분석할 수 있습니다.

---

TurtleBot3가 움직이지 않을 때 확인할 사항

Teleop은 정상적으로 실행되는데 Gazebo의 로봇이 움직이지 않는다면 먼저 /cmd_vel이 실제로 발행되고 있는지 확인합니다.

ros2 topic echo /cmd_vel

키를 눌렀을 때 값이 변하면 Teleop 자체는 정상입니다.

다음으로 /cmd_vel의 Publisher와 Subscriber를 확인합니다.

ros2 topic info /cmd_vel -v

여기에서 중요한 것은 단순히 Publisher가 존재하는 것뿐 아니라 Gazebo 측에서 해당 이동 명령을 받아들이는 Subscriber가 존재하는가입니다.

개념적으로 정상 상태는 다음과 같습니다.

turtlebot3_teleop
       │
       │ Publisher
       ▼
   /cmd_vel
       │
       │ Subscriber
       ▼
Gazebo Robot Controller

만약 /cmd_vel 데이터는 출력되는데 로봇이 움직이지 않는다면 Gazebo의 로봇 제어 플러그인이나 ROS-Gazebo 연결 상태를 확인해야 합니다.

---

/cmd_vel 자체가 보이지 않는 경우

먼저 시뮬레이션이 정상적으로 실행되고 있는지 확인합니다.

ros2 node list

Topic 전체를 확인합니다.

ros2 topic list

TurtleBot3 Gazebo 패키지를 확인합니다.

ros2 pkg prefix turtlebot3_gazebo

설치된 launch 파일도 다시 확인합니다.

ls -l /opt/ros/jazzy/share/turtlebot3_gazebo/launch/

필요하다면 Gazebo를 종료하고 다시 실행합니다.

export TURTLEBOT3_MODEL=burger
ros2 launch turtlebot3_gazebo turtlebot3_world.launch.py

---

실습에 사용하는 터미널 구성

TurtleBot3 시뮬레이션을 처음 학습할 때는 터미널을 여러 개 열어 놓으면 구조를 이해하기 쉽습니다.

┌─────────────────────────────────┐
│ Terminal 1                      │
│                                 │
│ Gazebo + TurtleBot3             │
│                                 │
│ ros2 launch turtlebot3_gazebo   │
│   turtlebot3_world.launch.py    │
└─────────────────────────────────┘

┌─────────────────────────────────┐
│ Terminal 2                      │
│                                 │
│ Keyboard Teleop                 │
│                                 │
│ ros2 run turtlebot3_teleop      │
│   teleop_keyboard               │
└─────────────────────────────────┘

┌─────────────────────────────────┐
│ Terminal 3                      │
│                                 │
│ Topic 확인                       │
│                                 │
│ ros2 topic echo /cmd_vel        │
│ ros2 topic echo /odom           │
│ ros2 topic echo /scan           │
└─────────────────────────────────┘

┌─────────────────────────────────┐
│ Terminal 4                      │
│                                 │
│ RViz2                           │
│                                 │
│ rviz2                           │
└─────────────────────────────────┘

이렇게 구성하면 로봇이 움직이는 모습과 ROS 메시지가 전달되는 과정을 동시에 관찰할 수 있습니다.

---

전체 데이터 흐름 이해하기

이번 실습에서 가장 중요한 부분은 전체 데이터 흐름입니다.

사용자가 키보드를 누르면 다음 과정이 발생합니다.

Keyboard
    │
    ▼
turtlebot3_teleop Node
    │
    │ geometry_msgs/msg/Twist
    ▼
 /cmd_vel Topic
    │
    ▼
Gazebo Robot Controller
    │
    ▼
TurtleBot3

로봇이 움직이면 반대 방향으로 상태와 센서 데이터가 생성됩니다.

TurtleBot3
    │
    ▼
Gazebo Harmonic
    │
    ├──────── /odom
    │
    ├──────── /tf
    │
    └──────── /scan
                  │
                  ▼
                ROS 2
                  │
                  ▼
                RViz2

따라서 ROS 2는 단순히 로봇을 움직이는 프로그램이 아니라 여러 Node가 Topic을 통해 데이터를 주고받도록 구성하는 분산형 로봇 소프트웨어 프레임워크라고 이해할 수 있습니다.

---

이번 실습의 핵심

이번 실습에서는 ROS 2 Jazzy와 Gazebo Harmonic 환경에서 TurtleBot3 시뮬레이션 패키지를 설치하고 Burger 모델을 Gazebo에 불러왔습니다.

그리고 turtlebot3_teleop Node를 이용하여 키보드 입력을 ROS 2의 /cmd_vel Topic으로 전달했습니다.

여기서 사용한 핵심 구조는 다음과 같습니다.

Node
 ↓
Publisher
 ↓
Topic
 ↓
Message
 ↓
Subscriber
 ↓
Robot

이를 TurtleBot3에 적용하면 다음과 같습니다.

Keyboard
 ↓
turtlebot3_teleop
 ↓
geometry_msgs/msg/Twist
 ↓
/cmd_vel
 ↓
TurtleBot3 Controller
 ↓
Gazebo Harmonic
 ↓
TurtleBot3

이 구조를 이해하면 다음 단계부터는 키보드 대신 직접 만든 Python ROS 2 Node에서 /cmd_vel 메시지를 Publish하여 TurtleBot3를 제어할 수 있습니다.