[ROS2] Life cycle node 개념 및 Nav2 예시 살펴보기

이 글은 Managed node에 이점과 Lifecycle에 대한 내용이 주로 되어 있습니다.

Life cycle node란?

Life cycle node는 일반 Node와 관리 Node의 Life cycle을 관리할 수 있다. 이러한 이점으로 인해 Nav2, Moveit2와 같은 대중적인 ROS library는 Managed node로 구성되어 있다. Life cycle의 관리는 통해 우리는 아래와 같은 상황에서 컴퓨터 자원을 절약이 가능하다.

• Node를 재시작해야 할 경우
• Node가 항상 켜져있지 않아도 될 경우

종종 예상치 못한 버그로 Node를 재시작해야 할 경우가 있다. 이때 일반 Node라면 실행 중인 Node의 Process를 중단하고 새로운 Process를 생성한다. 이는 불필요한 자원 낭비로 이어지게 된다. 두 번째로 Node가 항상 켜져있어야 하지 않을 경우에도 Life cycle를 관리하여 Node를 Deactivate 하여 불필요한 자원 낭비를 방지할 수 있게 된다.

Life cycle node

Life cycle이 생소한 분들을 위해 간단히 설명하자면 Node가 시작하고 나서 종료될 때까지의 상태라고 설명할 수 있다. Life cycle node는 4개의 primary state와 6가지의 transition state가 존재한다. 우리가 주요하게 봐야 할 것은 primary state이다.

• Unconfigured: 인스턴스 된 직후 이거나 Node를 조정될 수 있는 상태
• Inactive: Node의 Publisher/Subscriber 및 Service 등이 구성되어 있지만 아무런 처리하지 않는 상태
• Active: 모든 처리를 시작한 상태
• Finaized: Node가 종료되기 직전의 상태

처음 Life cycle node가 만들어지게 되면 Unconfigured 상태가 된다. 그 후 외부 node나 command line을 통하여 state가 변경된다.  이때 Finaized 상태가 된다면 Node를 다시 활성화시킬 수 없음에 유의해야 한다. 아래 예시를 통해 어떻게 관리하는지 알아보자. Life cycle에 대한 자세한 내용은 아래 공식문서에서 확인 가능하다.

Managed nodes

예시) Life cycle node의 상태에 따른 Publish 확인

1. Life cycle node 만들기

간단하게 아무것도 설정되어 있지 않은 Life cycle node를 생성해 보자.

#include <chrono>
#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>
#include <thread>
#include <utility>

#include "lifecycle_msgs/msg/transition.hpp"

#include "rclcpp/publisher.hpp"
#include "rclcpp/rclcpp.hpp"

#include "rclcpp_lifecycle/lifecycle_node.hpp"
#include "rclcpp_lifecycle/lifecycle_publisher.hpp"

#include "rcutils/logging_macros.h"

#include "std_msgs/msg/string.hpp"

using namespace std::chrono_literals;

class LifecycleTalker : public rclcpp_lifecycle::LifecycleNode {
public:
  explicit LifecycleTalker(const std::string &node_name,
                           bool intra_process_comms = false)
      : rclcpp_lifecycle::LifecycleNode(
            node_name, rclcpp::NodeOptions().use_intra_process_comms(
                           intra_process_comms)) {}

  void publish() {}

  rclcpp_lifecycle::node_interfaces::LifecycleNodeInterface::CallbackReturn
  on_configure(const rclcpp_lifecycle::State &) {
    return rclcpp_lifecycle::node_interfaces::LifecycleNodeInterface::
        CallbackReturn::SUCCESS;
  }

  rclcpp_lifecycle::node_interfaces::LifecycleNodeInterface::CallbackReturn
  on_activate(const rclcpp_lifecycle::State &state) {
    return rclcpp_lifecycle::node_interfaces::LifecycleNodeInterface::
        CallbackReturn::SUCCESS;
  }

  rclcpp_lifecycle::node_interfaces::LifecycleNodeInterface::CallbackReturn
  on_deactivate(const rclcpp_lifecycle::State &state) {
    return rclcpp_lifecycle::node_interfaces::LifecycleNodeInterface::
        CallbackReturn::SUCCESS;
  }

  rclcpp_lifecycle::node_interfaces::LifecycleNodeInterface::CallbackReturn
  on_cleanup(const rclcpp_lifecycle::State &) {
    return rclcpp_lifecycle::node_interfaces::LifecycleNodeInterface::
        CallbackReturn::SUCCESS;
  }

  rclcpp_lifecycle::node_interfaces::LifecycleNodeInterface::CallbackReturn
  on_shutdown(const rclcpp_lifecycle::State &state) {
    return rclcpp_lifecycle::node_interfaces::LifecycleNodeInterface::
        CallbackReturn::SUCCESS;
  }
};

int main(int argc, char *argv[]) {
  rclcpp::init(argc, argv);

  rclcpp::executors::SingleThreadedExecutor exe;

  std::shared_ptr<LifecycleTalker> lc_node =
      std::make_shared<LifecycleTalker>("lc_talker");

  exe.add_node(lc_node->get_node_base_interface());

  exe.spin();

  rclcpp::shutdown();

  return 0;
}

일반적으로 Node를 생성할 때랑 크게 다르지 않다. 자신이 만들 Node에 rclcpp_lifecycle::LifecycleNode를 상속시켜야 한다. 위 코드에서 우리가 주의 깊게 봐야 할 것은 on_configure, on_activate, on_deactivate, on_cleanup, on_shutdown 메서드이다. 각각 Node의 상태가 변경될 때 실행되는 함수들이다. 각각 다음과 같은 상활일때 호출된다.

• on_configure: Node가 Inactive 상태로 변경될때 호출된다.
• on_activate: Node가 Inactive에서 Active 상태로 변경될때 호출된다. 
• on_deactivate: Node가 Active 상태에서 Inactive 상태로 변경될때 호출된다.
• on_cleanup: Node가 Inactive 상태에서 Unconfigured 상태로 변경될때 호출된다.
• on_shutdown: Node가 Finaized 상태로 변경될때 호출된다.

우리는 각 primary state에서 어떤 작업을 해야 하는지 알고 있다. 따라서 위 메서드를 통하여 state에 맞게 Node를 구성해야 한다. 위 Node에 topic을 publish 할 수 있는 publisher와 timer를 추가해 보자. 

private:
  std::shared_ptr<rclcpp_lifecycle::LifecyclePublisher<std_msgs::msg::String>> pub_;
  std::shared_ptr<rclcpp::TimerBase> timer_;

Managed node에서 publisher를 생성할 때에는 rclcpp_lifecycle::LifecyclePublisher로 생성해야 한다. 이 publisher는 기존과 달리 deactivate 및 activate가 가능하다.

on_configure

 rclcpp_lifecycle::node_interfaces::LifecycleNodeInterface::CallbackReturn
  on_configure(const rclcpp_lifecycle::State &)
  {
    pub_ = this->create_publisher<std_msgs::msg::String>("lifecycle_chatter", 10);
    timer_ = this->create_wall_timer(
      1s, std::bind(&LifecycleTalker::publish, this));

    RCLCPP_INFO(get_logger(), "on_configure() is called.");

    return rclcpp_lifecycle::node_interfaces::LifecycleNodeInterface::CallbackReturn::SUCCESS;
  }

on_configure에서는 Inactive로 state가 변경될 때 실행되므로 publisher와 timer의 초기값을 설정해준다. 이때 SUCCESS를 반환하면 Inactive로 변경되고 실패하면 Unconfigured 상태가 유지된다. 

on_activate

  rclcpp_lifecycle::node_interfaces::LifecycleNodeInterface::CallbackReturn
  on_activate(const rclcpp_lifecycle::State & state)
  {
    LifecycleNode::on_activate(state);

    RCUTILS_LOG_INFO_NAMED(get_name(), "on_activate() is called.");

    std::this_thread::sleep_for(2s);

    return rclcpp_lifecycle::node_interfaces::LifecycleNodeInterface::CallbackReturn::SUCCESS;
  }

on_activate에서는 Active로 state가 변경될때 실행되므로 publisher을 activate 상태로 변경해야 한다. 2초 delay를 주어 나중에 결과확인을 돕는다. 당연히 반드시 필요한 부분은 아니다. FAILURE를 반환하면 Inactive state가 유지된다.

on_deactivate

  rclcpp_lifecycle::node_interfaces::LifecycleNodeInterface::CallbackReturn
  on_deactivate(const rclcpp_lifecycle::State & state)
  {
    LifecycleNode::on_deactivate(state);

    RCUTILS_LOG_INFO_NAMED(get_name(), "on_deactivate() is called.");

    return rclcpp_lifecycle::node_interfaces::LifecycleNodeInterface::CallbackReturn::SUCCESS;
  }

on_activate에서는 Inactive로 state가 변경될때 실행되므로 publisher을 deactivate 상태로 변경해야 한다. FAILURE를 반환하면 Active state가 유지된다.

on_cleanup

rclcpp_lifecycle::node_interfaces::LifecycleNodeInterface::CallbackReturn
  on_cleanup(const rclcpp_lifecycle::State &)
  {
    timer_.reset();
    pub_.reset();

    RCUTILS_LOG_INFO_NAMED(get_name(), "on cleanup is called.");

    return rclcpp_lifecycle::node_interfaces::LifecycleNodeInterface::CallbackReturn::SUCCESS;
  }

on_cleanup은 Unconfigured 상태로 변경될 때 실행되므로 설정된 publisher와 timer의 shared_ptr을 reset시킨다.  FAILURE를 반환하면 Inactive 상태가 유지된다.

on_shutdown

rclcpp_lifecycle::node_interfaces::LifecycleNodeInterface::CallbackReturn
  on_shutdown(const rclcpp_lifecycle::State & state)
  {
    timer_.reset();
    pub_.reset();

    RCUTILS_LOG_INFO_NAMED(
      get_name(),
      "on shutdown is called from state %s.",
      state.label().c_str());

    return rclcpp_lifecycle::node_interfaces::LifecycleNodeInterface::CallbackReturn::SUCCESS;
  }

on_shutdown은 Finaized 상태로 변경될때 실행되므로 사용하고 있던 자원을 모두 초기화시켜줄 필요가 있다. FAILURE을 반환하면 state가 유지된다.

위 전체 코드에 대한 전체는 아래 Github 링크에서 확인 가능하다.

https://github.com/ros2/demos/blob/rolling/lifecycle/src/lifecycle_talker.cpp

2. Command line을 통한 Node state 변경 및 Topic 확인

state는 service를 호출하거나 lifecycle set을 통하여 변경할 수 있다.

$ ros2 service call <service_name> lifecycle_msgs/ChangeState "{transition: {id: <state_id>}}"
$ ros2 lifecycle set <node_name> <name_of_the_new_state>

 

이제 Command line을 통하여 Node의 state를 변경하고 출력되는 결과와 Topic을 영상을 통해 확인해 보자.

Nav2에서 Life cycle node의 활용법

Nav2에서는 nav2_util::LifecycleNode를 사용하여 nav2_lifecycle_manager를 통해 손쉽게 관리하고 있다. (Node가 자동으로 시작되게 하거나 기타 등등..) 이때 모든 nav2_util::LifecycleNode는 activate 하는 과정에서 createBond을 실행한다.

예) nav2_planner_server

nav2_util::CallbackReturn
PlannerServer::on_activate(const rclcpp_lifecycle::State & /*state*/)
{
  RCLCPP_INFO(get_logger(), "Activating");

  plan_publisher_->on_activate();
  action_server_pose_->activate();
  action_server_poses_->activate();
  const auto costmap_ros_state = costmap_ros_->activate();
  if (costmap_ros_state.id() != lifecycle_msgs::msg::State::PRIMARY_STATE_ACTIVE) {
    return nav2_util::CallbackReturn::FAILURE;
  }

  PlannerMap::iterator it;
  for (it = planners_.begin(); it != planners_.end(); ++it) {
    it->second->activate();
  }

  auto node = shared_from_this();

  is_path_valid_service_ = node->create_service<nav2_msgs::srv::IsPathValid>(
    "is_path_valid",
    std::bind(
      &PlannerServer::isPathValid, this,
      std::placeholders::_1, std::placeholders::_2));

  // Add callback for dynamic parameters
  dyn_params_handler_ = node->add_on_set_parameters_callback(
    std::bind(&PlannerServer::dynamicParametersCallback, this, _1));

  // create bond connection
  createBond();

  return nav2_util::CallbackReturn::SUCCESS;
}

Nav2는 bond communation을 통하여 Node가 정상적으로 작동하고 있는지 확인하고 응답이 없거나 충돌이 난 경우 다시 실행하게 된다. 이러한 역할을 하는 것이 Nav2Lifecycle Manager이다.

Lifecycle Manager — Nav2 1.0.0 documentation

간단하게 Nav2의 Node의 상태가 어떻게 변하는 지 확인해 보자.

Nav2를 실행했을 때는 lifecycle nodes가 위 사진과 같이 등록되고 맵이 등록되어 있을 때 Inactive 상태이다. 그리고 Initial pose가 지정된다면 모든 Node의 state가 Active로 변경된다.

Lifecycle에 대한 나의 생각

간단하게 만들 것이 아니라면 모든 Node는 Life cycle node로 만드는 것이 더 이점이 많지 않을까? 생각이 든다. 뿐 아니라 Behavior Tree와도 같이 사용할 때 더욱 효율적이게 사용될 수 있을 거 같다. Nav2에서도 bond을 통하여 Node의 상태를 관리하는 manager를 생성하고 관리하는 점이 인상 깊었다. 하지만 아직 미완성적인 부분이 있다. 대표적으로 LifecycleSubscriber이 필요하다 생각한다. 공식 ROS2 design을 보면 Inactive 상태에서는 pub/sub가 초기화는 돼있고 아무런 동작을 하지 않는 상태여야 하지만 실상은 Subscriber를 deactivate 할 수 없다. 따라서 예외로 처리해 줘야 하는데 다음 Version에서는 추가가 됐으면 좋겠다. 해당 내용은 아래 PR에서 자세히 설명하고 있다. 

Add lifecycle subscriber to lifecycle nodes by carmiac · Pull Request #2254 · ros2/rclcpp