6. โครงสร้าง ROS 2

ROS 2 (Robot Operating System 2) ถูกออกแบบให้มี โครงสร้างที่ยืดหยุ่น และรองรับ Multi-Robot System, Distributed Computing และ Real-time Processing ได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยมี องค์ประกอบหลัก ที่ทำงานร่วมกัน ได้แก่ Node, Topic, Service, Action, Parameter, Package, Launch File และ Workspace

ในบทนี้จะอธิบาย ความหมายและโครงสร้าง ของแต่ละองค์ประกอบ เพื่อให้เข้าใจการทำงานของ ROS 2 อย่างถูกต้อง เริ่มจากการทำความเข้าใจกับ องค์ประกอบหลัก ของระบบ

6.1. ROS2 Workspace คืออะไร?

ROS 2 Workspace คือพื้นที่ทำงานที่ใช้สำหรับพัฒนา Node และ Package ใน ROS2 โดยรองรับการคอมไพล์โค้ด, ติดตั้งแพ็กเกจ และจัดการโปรเจกต์ต่างๆ

โครงสร้างพื้นฐานของ ROS 2 Workspace

my_ros2_ws/          # Workspace หลัก 
├── src/             # โฟลเดอร์สำหรับเก็บแพ็กเกจที่พัฒนา 
│ ├── my_package/    # ตัวอย่างแพ็กเกจ 
│ ├── another_pkg/   # แพ็กเกจอื่นๆ ที่เพิ่มเข้ามา 
│ └── ...            # อาจมีแพ็กเกจเพิ่มเติม 
├── build/           # โฟลเดอร์ที่ใช้เก็บไฟล์คอมไพล์ 
├── install/         # โฟลเดอร์ที่ใช้เก็บไฟล์ติดตั้ง 
└── log/             # โฟลเดอร์ที่ใช้เก็บ Log ของการทำงาน

6.2. ROS2 Package คืออะไร?

Package ใน ROS 2 เป็นหน่วยเก็บข้อมูลหลักของโค้ดที่ใช้พัฒนาหุ่นยนต์ โดยแต่ละแพ็กเกจสามารถประกอบไปด้วย

• ไฟล์ Node (Python หรือ C++)

• ไฟล์ Message & Service

• ไฟล์ Launch File

• ไฟล์การตั้งค่า Parameter

โครงสร้างของ ROS 2 Package

my_package/           # แพ็กเกจของ ROS2 
├── package.xml       # ไฟล์กำหนดข้อมูลแพ็กเกจ 
├── CMakeLists.txt    # ใช้สำหรับ C++ (หากเป็น Python ไม่ต้องใช้) 
├── setup.py          # ใช้สำหรับแพ็กเกจ Python 
├── src/              # เก็บไฟล์โค้ดของ Node 
│ ├── my_node.py      # ตัวอย่างไฟล์ Node (Python) 
│ ├── my_node.cpp     # ตัวอย่างไฟล์ Node (C++) 
├── launch/           # เก็บไฟล์ Launch ที่ใช้รันหลาย Node พร้อมกัน 
│ ├── my_launch.py 
├── config/           # เก็บไฟล์กำหนดค่า (Parameter) 
│ ├── param.yaml 
├── README.md         # คำอธิบายแพ็กเกจ

6.3. Node คืออะไร

Node เป็นหน่วยประมวลผลพื้นฐานใน ROS 2 โดยแต่ละ Node ทำงานอิสระและสามารถสื่อสารกันผ่าน Topic, Service หรือ Action โดยเขียนเป็นรูปแบบภาษา c++ หรือ python

จากภาพแสดงให้เห็นว่า Node (พื้นที่แรเงา) เป็น ไฟล์โค้ดหรือคำสั่งที่ใช้ในการประมวลผล ซึ่งถูกพัฒนาในรูปแบบของภาษา Python หรือ C++ และทำงานภายใน Package ที่อยู่ใน Workspace

6.4. Topic คืออะไร?

Topic เป็นช่องทางที่ Node ใช้ในการแลกเปลี่ยนข้อมูลกันตามรูปแบบ Publisher-Subscriber Model โดยมี Node ที่ส่งข้อมูล (Publisher) และ Node ที่รับข้อมูล (Subscriber)

หัวข้อ	หลักการทำงาน
Publisher	ส่งข้อมูลไปยัง Topic
Topic	ทำหน้าที่เป็น ช่องทางกลางสำหรับรับและกระจายข้อมูล
Subscribers	รับข้อมูลจาก Topic

6.5. Service คืออะไร?

Service ใช้สำหรับการสื่อสารแบบ Client-Server ซึ่งต่างจาก Topic ที่ไม่มีการตอบกลับ

หัวข้อ	หลักการทำงาน
Service Server	ทำหน้าที่ให้บริการ เมื่อได้รับคำขอจาก Client
Service Client	ส่งคำขอไปยัง Server และรอรับผลลัพธ์
Service Request & Response	ใช้ส่งข้อมูลระหว่าง Client และ Server

6.6. Action คืออะไร?

Action ใช้สำหรับงานที่ต้องใช้เวลานาน เช่น การนำทางหุ่นยนต์ โดยรองรับ Feedback ระหว่างทำงาน

หัวข้อ	หลักการทำงาน
Action Client	ส่งคำขอ (Goal) ไปยัง Action Server
Action Server	ดำเนินการตามคำขอและส่ง Feedback & Result กลับมา
Feedback Topic	ใช้ส่งข้อมูลสถานะระหว่างทำงาน
Goal Service, Result Service	ใช้สำหรับส่งคำสั่งและรับค่าผลลัพธ์

6.7. Parameter คืออะไร?

Parameter ใน ROS 2 คือ ค่าตั้งค่าของ Node ที่สามารถเปลี่ยนแปลงได้โดย ไม่ต้องแก้ไขโค้ด หรือ คอมไพล์ใหม่

6.7.1. ทำไมต้องใช้ Parameter?

• ช่วย ตั้งค่าการทำงานของ Node ได้สะดวก

• สามารถ เปลี่ยนค่าได้แบบเรียลไทม์

• ลดการแก้ไขโค้ด ทำให้โปรแกรมยืดหยุ่นมากขึ้น

6.7.2. ตัวอย่าง การใช้คำสั่ง Parameter

เปลี่ยน สีพื้นหลังของ Turtlesim โดยใช้ Parameter background_r, background_g, background_b

ros2 param set /turtlesim background_r 255 
ros2 param set /turtlesim background_g 255 
ros2 param set /turtlesim background_b 0
clear # ใช้ในการเคลียหน้าterminal ให้โล่ง

6.8. Launch File คืออะไร?

Launch File เป็นไฟล์ที่ใช้ เปิดหลาย Node พร้อมกัน โดยไม่ต้องรันคำสั่งทีละตัวใน Terminal

6.8.1. ทำไมต้องใช้ Launch File?

• ลดความยุ่งยาก → สามารถเปิดหลาย Node พร้อมกันได้

• ตั้งค่าพารามิเตอร์ → กำหนดค่าของ Node ได้ง่ายขึ้น

6.8.2. ตัวอย่าง Launch File (นามสกุล .launch.py เพิ่มเติมในบท 10)

นำเข้าโมดูลที่ใช้สร้าง Launch File ใน ROS2
import launch
import launch_ros.actions  # ใช้สำหรับเรียกใช้งาน Node ของ ROS2
# ฟังก์ชันหลักที่ใช้สร้าง Launch Description
def generate_launch_description():
    return launch.LaunchDescription([  # กำหนดรายการ Node ที่จะเปิด
        # เปิด Node แรก: turtlesim_node
        launch_ros.actions.Node(
            package='turtlesim',         # ระบุแพ็กเกจที่มี Node นี้
            executable='turtlesim_node', # กำหนด Executable ที่จะรัน
            name='simulated_turtle'      # ตั้งชื่อให้ Node นี้ (Alias)
        ),
        # เปิด Node ที่สอง: turtle_teleop_key (ใช้ควบคุมเต่าผ่านแป้นพิมพ์)
        launch_ros.actions.Node(
            package='turtlesim',          # ระบุแพ็กเกจที่มี Node นี้
            executable='turtle_teleop_key', # กำหนด Executable ที่จะรัน
            name='teleop_turtle'          # ตั้งชื่อให้ Node นี้ (Alias)
        )
    ])