자율주행 로봇(쉽게 배우는 ROS2 기반)

센서에서 판단, 제어까지, 자율주행의 뼈대를 먼저 세운다

제1부는 코드를 한 줄도 쓰지 않는다. 대신 로봇이 무엇으로 이루어지는지부터 짚는다. 센서는 감각 기관, 프로세서는 두뇌, 액추에이터는 근육, 전원은 에너지, 소프트웨어는 지능에 빗대어 로봇의 다섯 구성 요소를 설명한다. 이어 1966년 스탠퍼드 연구소의 샤키에서 오늘날의 도심 배송 로봇에 이르는 자율주행 로봇의 역사를 훑고, 정해진 길만 따르는 AGV와 스스로 경로를 바꾸는 AMR의 차이를 표 하나로 정리한다.

자율주행 기술 개론에서는 인지, 판단, 경로 계획, 제어라는 네 단계를 차례로 다룬다. 카메라·라이다·레이더·GNSS·IMU·초음파 센서가 각각 무엇을 재는지, YOLO 같은 객체 검출 모델이 어떻게 사물을 찾는지, A*와 DWA 알고리즘이 어떤 식으로 길을 고르는지, PID와 퓨어 퍼슈트 제어가 로봇을 어떻게 경로 위에 붙잡아 두는지를 그림과 함께 풀었다. 로봇 윤리 절도 따로 두었다. 아시모프의 로봇 3원칙에서 자율주행차의 트롤리 딜레마, 돌봄 로봇의 감정 문제까지 다루며 기술을 배우는 학생이 함께 품어야 할 질문을 던진다.

교재로 쓰기 좋은 장치도 곳곳에 두었다. 모든 장은 두 줄짜리 학습 목표로 시작해 그 장을 마친 뒤 무엇을 설명하고 무엇을 만들 줄 알아야 하는지 먼저 알려 준다. 본문 중간의 팁 상자는 메타 운영 체제, A* 알고리즘, DWA 알고리즘처럼 따로 짚어야 할 개념을 한 쪽 안에 정리한다. 센서별 측정값, 통신 규격별 속도, ROS1과 ROS2의 차이 같은 내용은 비교표로 묶어 시험공부와 복습에 바로 쓰도록 했다.

설치에서 막히지 않도록, 개발 환경을 한 단계씩 깔아 준다

로봇 공부를 포기하게 만드는 첫 관문은 대개 개발 환경이다. 제2부는 이 관문을 넘는 데 한 부를 통째로 쓴다. 리눅스가 무엇인지, 자주 쓰는 명령어가 무엇인지 표로 정리하고, 터미네이터와 htop, VS Code 확장 기능을 설치하는 순서를 보여 준다. ROS2 Humble 설치와 워크스페이스 생성, OpenCV 빌드는 모든 명령어를 한 줄씩 적었다. 윈도우 PC에서 로봇에 올린 리눅스로 SSH 원격 접속하는 방법까지 익히면 실습 준비가 끝난다.

제3부는 실습 로봇의 몸과 머리를 들여다본다. DonkiBot-I의 각부 명칭과 조작 버튼, 라이다와 IR 라인 센서, 젯슨 오린 나노 컨트롤러의 사양을 소개하고 DC 모터, BLDC 모터, 서보 모터, 감속기, 모터 드라이버가 로봇을 어떻게 움직이는지 설명한다. 소프트웨어 입문에서는 ROS2의 노드, 토픽, 서비스, 액션을 터틀심 예제로 직접 확인하고 퍼블리셔와 서브스크라이버로 채팅 프로그램을 만든다. OpenCV로 이미지를 읽고 흑백으로 바꾸고 웹캠 속 얼굴을 흐리게 처리하는 미니 프로젝트도 들어 있다.

키보드로 움직이던 로봇이 스스로 목적지를 찾아가기까지

제4부와 제5부가 이 책의 본게임이다. 제4부에서는 AGV를 네 가지 방법으로 움직인다. 먼저 키보드 방향키로 전진, 후진, 좌우 조향, 제자리 피벗 회전을 시킨다. 다음에는 D435 카메라 영상을 플라스크 웹 서버로 띄우고, 웹 브라우저 화면을 보며 멀리서 로봇을 운전한다. 세 번째는 바닥에 붙인 반사 테이프를 16개의 적외선 센서로 읽어 라인을 따라가게 하고, 앞에 장애물이 나타나면 라이다로 감지해 멈추게 한다. 마지막으로 RF 태그에 임무 번호를 적어 두고, 웹 관제 화면에서 여러 태그와 로봇의 상태를 한눈에 살핀다. 스마트 공장의 물류 흐름을 교실 안에 그대로 옮겨 놓은 셈이다.

제5부에서는 AMR이 스스로 판단하기 시작한다. ROS2와 Nav2 기반 SLAM 소프트웨어로 실습장을 한 바퀴 돌며 2D 지도를 만들고 저장한다. 그다음 RViz 지도 위에 목적지를 찍으면 로봇이 전역 경로를 계산하고, 가는 길에 나타난 장애물은 지역 경로로 피해 간다. 전역 경로 계획을 '큰 길을 찾는 것'으로, 지역 경로 계획을 '장애물을 피하는 기술'로 비유한 대목은 알고리즘을 처음 접하는 학생의 이해를 돕는다. 제4부 끝에 모은 실습 과제에는 팀별 원격 주행 대결, 라인 추종 파라미터 튜닝 같은 수업 활동이 담겼다.

이렇게 읽으면 좋다

처음 로봇을 배우는 학생이라면 제1부를 가볍게 읽은 뒤 제2부의 설치 과정을 빠짐없이 따라 한다. 여기서 만든 환경이 이후 모든 실습의 바탕이 된다. 파이썬과 리눅스가 익숙한 학생은 제3부의 ROS2 통신 실습부터 시작해도 좋다. 수업을 설계하는 교수자는 한 학기를 제4부 AGV 실습과 제5부 AMR 실습으로 나누고, 실습 과제를 팀 프로젝트로 쓰면 된다. 무엇보다 명령어는 복사해 붙이지 말고 한 줄씩 직접 입력해 보기를 권한다. 오류 메시지를 읽고 고치는 시간이 쌓일수록 로봇은 더 정확하게 움직인다.

자율주행 로봇을 직접 만들어 보고 싶은 전공 학생에게, 캡스톤 디자인 주제를 찾는 졸업반 학생에게, ROS2 실습 교재가 필요한 교수자와 직업훈련 교사에게, 스마트 팩토리 현장에서 AGV와 AMR을 다뤄야 하는 실무자에게 이 책을 권한다. 개념을 읽고, 코드를 치고, 로봇이 움직이는 모습을 확인하는 과정이 한 권 안에서 끝난다.

제1부 로봇(Robot)과 로보틱스(Robotics)
제1장 로봇(Robot)의 개요 8
로봇의 정의 │ 로봇의 기본 구성 요소 │ 로보틱스(Robotics)의 개념
제2장 로봇의 역사와 윤리의식 18
자율주행 로봇의 역사 │ 로봇의 윤리의식
제3장 자율주행 기술 개론 27
자율주행 시스템 개요 │ 자율주행 핵심 기술 요소 │ 자율주행 핵심 센서(카메라, 레이다, 라이다, GNSS)

제2부 초기 개발 환경 구성
제1장 Linux의 이해와 필수 명령어 사용 방법 80
리눅스(Linux) 이해하기 │ 리눅스(Linux ubuntu 22.04) 사용을 위한 필수 명령어
제2장 개발 도구 설치하기(Terminal, VS Code 등) 88
Ubuntu 22.04 환경에서 Terminator, htop 설치하기 │ Ubuntu 22.04 환경에서 Visual Studio Code 및 Extension
제3장 ROS2 설치 및 환경 구성/Workspace 생성 94
ROS2 Humble 설치 방법 │ Workspace 생성하기
제4장 OpenCV 설치 97
OpenCV 설치 방법
제5장 Linux 원격 접속(ssh) 100
원격 접속(Remote Access) │ OpenSSH 설치

제3부 AGV 구동을 위한 하드웨어/소프트웨어 입문
제1장 하드웨어 입문 110
AGV 전체 시스템의 구성과 사양 │ AGV 장착 센서 및 컨트롤러 │ AGV 구동 방식
제2장 소프트웨어 입문 131
로봇 운영 체제(ROS2 : Robot Operating System) │ OpenCV 기반 영상 처리 기법

제4부 AGV 구동 및 제어 실습
제1장 키보드를 이용한 AGV 구동(SSH 방식) 198
AGV 구동 원리 이해 │ 키보드를 이용한 전진/후진 프로그래밍 및 실습 │ 키보드를 이용한 좌/우 조향 프로그래밍 및 실습 │ 키보드 제어를 통한 피벗 프로그래밍 및 실습
제2장 카메라 센서 기반 원격 주행 실습 215
원격 주행 시스템 개요 │ OpenCV 기반 카메라 영상 출력 및 예제 실습 │ 웹 기반 사용자 인터페이스 구현 실습(서버/클라이언트) │ 카메라 센서를 활용한 원격 주행 실습 과제
제3장 IR 센서 기반 라인 추종 실습 260
Line Following 기술 개요 및 프로그래밍 방법 │ IR 센서 기반 Line Following 기초 실습 │ Line Following 프로그램 구현 및 실습
제4장 RF-Tag 정보 기반 AGV의 웹 관제 실습 299
AGV용 RF-Tag 및 웹 관제 소개 │ RF-Tag의 데이터 쓰기 실습 │ RF-Tag 데이터 기반 AGV의 웹 관제 실습

제5부 AMR 구동 및 제어 실습
제1장 SLAM 실습 318
ROS2를 활용한 SLAM 기초 및 설치 │ SLAM 및 AMR을 활용한 맵 생성 및 저장 실습
제2장 AMR의 자율주행 실습 330
경로 계획 │ SLAM Remote를 이용한 자율주행 구동 실습