Workshop ROS 2

Introduction à l’écosystème

Etienne Schmitz

📄 Table des matières

  1. 🌐 ROS 2 : un écosystème open-source pour la robotique
  2. 🕸️ Ecosystème de ROS 2
  3. 🧠 Concepts de base ROS 2
  4. 🗂️ Organisation d’un projet ROS 2
  5. 🔧 TP - Journée 1

🌐 ROS 2 : un écosystème open-source pour la robotique

🤖 Qu’est-ce que ROS 2 ?

ROS 2 (Robot Operating System 2) est un middleware open-source conçu pour accélérer et simplifier le développement de systèmes robotiques complexes.

🔧 Au lieu de créer un SDK spécifique pour chaque robot, ROS 2 propose une infrastructure modulaire, unifiée et réutilisable, adaptée à une grande variété de projets.
Il est utilisé dans de nombreux domaines :

  • 🧪 Recherche et prototypage rapide
  • 🏭 Industrie (robotique collaborative, automatisation)
  • 🚗 Véhicules autonomes, drones, AMR
  • 🦾 Bras manipulateurs et robots de service

ROS 2 est un socle logiciel commun pour concevoir, tester et déployer des systèmes robotiques avancés.

Les principales fonctionnalités de ROS 2

  • 🧰 Bibliothèques : communication inter-processus, calcul de trajectoires, asservissement moteur, gestion des capteurs, etc.
  • 🖥️ Applications : simulation physique (Gazebo, Ignition), visualisation de données (RViz), enregistrement et rejeu de données (rosbag), outils de débogage, etc.
  • 📐 Conventions : standardisation des formats de représentation des robots (URDF, SDF), des capteurs, des actionneurs, des messages et des services.
  • 🌍 Communauté : large base de composants open-source, documentation abondante, forums d'entraide, tutoriels et vidéos pédagogiques.

📜 Historique de ROS

  • 🛠️ 2010 : Lancement de ROS 1 par Willow Garage, initialement conçu pour le robot PR2.
  • 🏭 2012 : Lancement de ROS-Industrial : adaptation de ROS aux besoins de l’industrie.
  • 🏛️ 2012 : Création de la OSRF (Open Source Robotics Foundation) — aujourd’hui Open Robotics, organisme gérant le développement de ROS.
  • 🚀 2017 : Lancement de ROS 2, une réécriture complète pour répondre aux limitations de ROS 1 (temps réel, sécurité, fiabilité, middleware DDS...).

De ROS 1 à ROS 2 : une nouvelle architecture

ROS 2 est une réécriture complète de ROS 1, conçue pour répondre aux besoins modernes de la robotique :

  • ⏱️ Temps réel mieux géré grâce au middleware DDS
  • 🔐 Sécurité renforcée
  • 🧩 Modularité accrue, architecture plus propre
  • ⚙️ Performance optimisée pour les systèmes distribués
  • ↔️ Architecture passée de centralisée (ROS 1) à distribuée (ROS 2)

⚠️ Compatibilité limitée : ROS 2 n’est pas rétrocompatible avec ROS 1.
Des bridges existent, mais un package ROS 2 ne peut interagir qu’avec ROS 2.

🧱 Distributions - ROS 2

ROS 2 évolue par distributions annuelles, nommées comme Ubuntu :
➡️ Adjectif + nom propre, dans l’ordre alphabétique (ex. Iron Irwini, Jazzy Jalisco).

📆 Tous les 2 ans, une version LTS (Long Term Support) est publiée, avec un support de 5 ans.

📦 La plupart des packages ROS 2 sont nommés comme ceux de ROS 1, avec le suffixe 2 :
→ MoveIt devient MoveIt 2
→ move_base devient Nav2,

⚠️ ROS 1 est en fin de vie : sa dernière version, Noetic Ninjemys, est maintenue jusqu’en mai 2025.

Distributions - ROS 2

  • Lyrical Luth (prévue pour 2026 – LTS) : prochaine version à support long terme
  • Rolling Ridley : version à développement continu, toujours à jour, mais non stable (REP 2002).

ROS Enhancement Proposals (REP)

Les REP sont des documents qui définissent les standards, conventions et évolutions de ROS (inspirés des PEP de Python). Ils sont utilisés pour :

  • 📦 l’organisation des distributions et des packages
  • 📨 les formats de messages, fichiers et conventions de nommage
  • 🔧 les évolutions du middleware (DDS, RMW, etc.)

📄 Exemples :

🧠 Les REPs assurent une gouvernance ouverte et une cohérence technique.

✅ Avantages de ROS 2

  • ⏱️ Gain de temps d’ingénierie grâce à des briques logicielles existantes et éprouvées
  • 🧰 Écosystème riche : outils compatibles, bibliothèques, standards reconnus
  • 🧩 Architecture modulaire : composants interchangeables, dette technique réduite
  • 🔗 Interopérabilité : intégration facilitée via des formats standardisés (URDF, messages, etc.)
  • 🚀 Facilité d’extension : matériel ou logiciel, pour intégrateurs ou chercheurs
  • 🔓 Liberté vis-à-vis des fournisseurs : pas de vendor lock-in
  • 🤝 Support communautaire (forums, GitHub) et support professionnel (Open Robotics, intégrateurs)

⚠️ Limites et inconvénients de ROS 2

  • 🧱 Standards parfois trop rigides pour des cas spécifiques ou atypiques (ex : Robocup SSL)
  • 📘 Courbe d’apprentissage non négligeable, surtout pour les débutants
  • 🐧 Compatibilité limitée hors Linux : Docker, Windows, macOS partiellement pris en charge
  • 🔄 Évolution rapide : certaines APIs deviennent vite obsolètes → veille technique nécessaire

💬 Langages supportés par ROS 2

ROS 2 prend en charge plusieurs langages, avec deux langages officiels (les plus documentés dans l’écosystème ROS 2):

  • 🐍 Python (rclpy)
    → Simple, rapide à écrire, idéal pour les scripts, le prototypage, et les démos pédagogiques
  • ⚙️ C++ (rclcpp)
    → Plus performant, utilisé pour les drivers, nœuds critiques et les applications industrielles

D’autres langages sont disponibles via des bindings tels que 🦀 Rust (rclrs), ☕ Java, ⚙️ Ada, et autres langages spécialisés.

🤖 Types de robots compatibles avec ROS 2

ROS 2 est conçu pour une grande variété de plateformes robotiques :

  • 🚗 Robots à roues : AGV, AMR, véhicules autonomes
  • 🚁 Robots volants : drones, UAV
  • 🤖 Cobots et bras manipulateurs industriels
  • 🦿 Robots à pattes et humanoïdes
  • 📡 Capteurs ou actionneurs autonomes intégrés à un réseau ROS

Pour qu’un robot fonctionne avec ROS, il doit disposer d’un driver ROS développé par le constructeur, un laboratoire ou la communauté open-source.

🔗 Découvrez les robots compatibles ROS : robots.ros.org

RMW : le cœur des communications ROS 2

ROS 2 repose sur une couche appelée RMW (ROS Middleware Interface), qui agit comme un traducteur universel entre ROS 2 et le réseau.

  • 📡 Gère la communication entre les nœuds, même sur plusieurs machines (Ethernet, Wi-Fi...)
  • 🔁 Sert d’interface entre ROS 2 et un middleware de transport (DDS)

🧩 Grâce à RMW, ROS 2 est modulaire, distribué et prêt pour le temps réel.

Les trois modes de communication ROS 2

Le middleware ROS 2 permet plusieurs types d’échange entre les nœuds :

  • 📬 Topics : messages en mode asynchrone (publish/subscribe)

    Ex : /scan (LiDAR), /cmd_vel (commande moteur)

  • 🔁 Services : appel direct avec réponse immédiate (requête / réponse)

    Ex : demander la position actuelle du robot

  • 🎯 Actions : pour les tâches longues avec retour d’état régulier

    Ex : envoyer un robot à une position

Ces mécanismes sont essentiels pour créer des systèmes robotiques interactifs.

DDS : le moteur réseau de ROS 2

Sous RMW, ROS 2 utilise un middleware nommé DDS (Data Distribution Service).
DDS est un middleware réseau standardisé qui permet à plusieurs programmes de s’échanger des données en temps réel.
Il est défini par l’OMG (Object Management Group) — l’organisme qui maintient aussi UML (Unified Model Language).

DDS apporte :

  • 🛠️ Qualité de service (QoS) : fiabilité, fréquence, persistance…
  • 🔒 Sécurité (sros2) : chiffrement, authentification, contrôle d’accès
  • 🔄 Interopérabilité : choix entre plusieurs moteurs DDS (Fast DDS, Cyclone DDS…)

✅ Ces options font de ROS 2 une solution robuste, adaptée à la robotique industrielle critique.

🕸️ Ecosystème de ROS 2

Gazebo – Simulation robotique

  • Environnement de simulation physique 3D pour tester les robots virtuellement
  • Supporte les capteurs (LiDAR, caméra, IMU…), moteurs, obstacles...

🎯 Permet de tester les algorithmes de navigation, contrôle et SLAM sans robot physique

Visualisation – RViz et rqt*

  • 🧭 RViz : visualiseur 3D interactif des données ROS (lidar, caméra, trajectoire, etc.)
  • 🧩 rqt* : suite d’outils graphiques modulaires (rqt_graph, rqt_console, rqt_plot...)

🎯 Utile pour :

  • Visualiser les capteurs en temps réel
  • Comprendre les interactions entre nœuds
  • Debuguer facilement son système ROS

Foxglove Studio (Optionnel)

Foxglove est un outil moderne de visualisation de données ROS, alternatif ou complémentaire à RViz.

  • Visualisation graphique de topics, logs, et messages en temps réel ou enregistrés
  • Compatible ROS 2, WebSocket, rosbag2, JSON...
  • Interface web ou application de bureau

🔗 https://foxglove.dev

NAV2 (Navigation 2) est le système de navigation ROS 2, successeur de move_base (ROS 1).

  • Construction de carte, localisation (AMCL), planification globale et locale
  • Évitement d'obstacles
  • Suivi de trajectoire jusqu'à une cible

Utilisé pour les robots mobiles autonomes (AGV, AMR, drones au sol)

🔗 https://nav2.org

MoveIt 2 – Manipulation robotique

  • Planification de mouvement pour bras manipulateurs (cobots, robots industriels)
  • Résolution de la cinématique inverse et collision checking
  • Intégration avec perception (capteurs) et navigation

Utilisé avec des robots comme UR, Franka Emika, Kinova, etc.

🔗 https://moveit.ai

ROS 2 Control – Boucles de contrôle temps réel

  • Interface d'abstraction pour le contrôle bas niveau (moteurs, joints, capteurs)
  • Séparation entre contrôleurs et interfaces matériel (hardware abstraction layer)
  • Compatible avec MoveIt2, NAV2, etc.

🎯 Rendre le logiciel indépendant du modèle hardware du robot.

Arbres de comportement (Behavior Trees)

  • Modèle de décision basé sur une arborescence d'actions
  • Remplace les machines à états (FSM) dans la navigation ou la manipulation
  • Utilisé par NAV2, MoveIt Task Constructor, et d'autres projets
  • Possibilité d'utiliser une UI (Groot 2)

🔗 ROS2 Integration | Behavior Tree

🌐 Projets connexes à ROS 2

ROS 2 est utilisé comme socle logiciel dans de nombreux projets spécialisés :

  • 🚗 Autoware : middleware open-source pour la conduite autonome (voitures, navettes...)
  • 🏭 ROS-Industrial : adaptation de ROS aux besoins de la robotique industrielle (ABB, Fanuc, UR...)

🧩 ROS 2 alimente une écosystème en pleine expansion de projets open-source dans la robotique moderne.

Des conventions partagées

ROS définit des conventions communes pour garantir l’interopérabilité :

  • 📏 Unités physiques : mètre, seconde, radian, newton, etc. (SI)
  • 📨 Messages standardisés : geometry_msgs, sensor_msgs, std_msgs, ...
  • 🧩 Nommage des topics/services : /joint_states, /scan, /cmd_vel, ...
  • 📂 Formats descriptifs : URDF, SRDF, YAML pour les paramètres

Cela permet à tous les développeurs de "parler le même langage"

Une boîte à outils du roboticien

Parmi les outils clés ROS :

  • 🧩 URDF : description du robot (géométrie, liens, articulations)
  • 🔄 tf2 : transformations entre repères datées
  • 🎥 rosbag2 : enregistrement / rejeu de données
  • 📈 rqt_plot, PlotJuggler : affichage temps réel de courbes
  • 📊 rqt_graph : vue des nœuds et communications
  • 🧭 view_frames : représentation des repères

Outils légers, activables à la demande selon les besoins

🧠 Concepts de base ROS 2

Nœuds

  • Un nœud est une unité de calcul, typiquement un exécutable (C++, Python...)
  • Chaque nœud exécute une tâche précise
  • Les nœuds communiquent entre eux via des topics, des services ou des actions
Exemple de système à 3 nœuds
  • 🧠 Nœud 1 (Python) : Analyse de l’image de la caméra (OpenCV)
  • 📍 Nœud 2 (Python) : Calcul de la trajectoire pour aller à l'objectif
  • ⚙️ Nœud 3 (C++) : Pilotage des moteurs du robot

Un système ROS 2 est composé de plusieurs nœuds coopérants

📨 Topics & Messages

Les topics sont des canaux de communication asynchrones entre les nœuds ROS.

🧭 Modèle Publish / Subscribe :

  • 📨 Un ou plusieurs nœuds publient des messages sur un topic
  • 📥 Un ou plusieurs nœuds peuvent s’abonner pour les recevoir

📷 Exemple :
Le topic /camera/image_raw transporte des images au format :
→ sensor_msgs/msg/Image

✅ Idéal pour les flux de données continus : capteurs, commandes, états du robot...

🔁 Services

Les services permettent une communication synchrone entre deux nœuds :
📤 Une requête est envoyée → 📥 Une réponse est retournée.

🧭 Modèle Client / Serveur :

  • Le client envoie une requête
  • Le serveur traite et renvoie une réponse

📍 Exemple :
Demander la position actuelle du robot ou changer un paramètre à la volée.

⚠️ Un service ne peut avoir qu’un seul serveur, mais plusieurs clients peuvent l’appeler.

Actions

  • Pour les tâches longues : navigation, manipulation...
  • Basé sur 3 éléments :
    • 🎯 Un objectif
    • 🔄 Un retour intermédiaire (feedback)
    • ✅ Un résultat

📍 Exemple :
Atteindre une destination en renvoyant l’avancement à chaque étape

⚙️ Paramètres

Les paramètres sont des variables dynamiques associées à un nœud ROS 2.

🔧 Ils permettent de modifier le comportement d’un nœud sans changer le code
➡️ Accessibles via le code ou en ligne de commande (ros2 param)

📌 Exemples de paramètres :

  • 🚀 Vitesse maximale autorisée
  • 🤖 Nom du robot
  • 🎮 Type de contrôleur utilisé

✅ Très utiles pour tester, ajuster ou déployer un système de manière flexible.

🗂️ Organisation d’un projet ROS 2

🗂️ Structure d’un projet ROS 2

Un projet ROS 2 est organisé de manière modulaire et hiérarchique, pour faciliter le développement collaboratif.

  • 📦 Chaque fonctionnalité est placée dans un package ROS 2
  • 📁 Ces packages sont regroupés dans un workspace
  • 🧰 Le workspace permet de compiler, tester et lancer tous les packages ensemble

🔧 Cette structure encourage la réutilisabilité, la clarté et la maintenance à long terme.

📦 Packages ROS 2

Un package est l’unité de base d’un projet dans ROS 2.
Il regroupe tout ce qui est nécessaire à une fonctionnalité robotique.

📁 Un package contient généralement :

  • 🧠 Le code source des nœuds (Python ou C++)
  • ⚙️ Les fichiers de configuration : YAML, fichiers launch, paramètres...
  • 🧩 Les ressources : URDF, images, rosbag, scripts, etc.

✅ Un package ROS 2 est un dossier structuré, versionnable, et réutilisable dans d'autres projets.

🧱 Workspace ROS 2

Un workspace est un dossier qui regroupe vos packages en développement.
C’est l’environnement dans lequel vous développez, compilez et testez vos fonctionnalités ROS 2.

📁 Un workspace typique contient :

  • 📂 src/ → vos packages sources
  • ⚙️ build/ → fichiers de compilation
  • 📦 install/ → binaries et exécutables
  • 📝 log/ → journaux de compilation et exécution

✅ Le workspace permet de compiler, exécuter, tester tous vos packages localement avec colcon build et source install/setup.bash.

🚀 Fichiers de lancement (launch files)

Les fichiers launch permettent de lancer plusieurs nœuds ROS 2 à la fois, avec leurs paramètres et configurations.

🧭 Ils sont écrits en Python (.py) et permettent :

  • de démarrer plusieurs nœuds simultanément
  • de charger des paramètres depuis des fichiers YAML
  • de définir des arguments (nom de robot, namespace, etc.)

🚀 Fichiers de lancement (launch files)

📄 Exemple :

from launch import LaunchDescription
from launch_ros.actions import Node

def generate_launch_description():
    return LaunchDescription([
        Node(
            package='my_robot',
            executable='controller_node',
            name='controller',
            parameters=['config/params.yaml']
        )
    ])

🌐 ROS_DOMAIN_ID — Isolation réseau des robots

ROS 2 utilise DDS, qui fonctionne par multidiffusion sur le réseau local.
Pour éviter que plusieurs robots ou groupes se perturbent mutuellement, on utilise :

🔐 ROS_DOMAIN_ID

  • C’est un identifiant numérique (entre 0 et 232)
  • Il permet d’isoler les communications DDS sur un même réseau Wi-Fi
  • Deux systèmes avec des ROS_DOMAIN_ID différents ne communiquent pas entre eux

✅ Bonnes pratiques

  • Chaque groupe de travail ou robot doit avoir un ROS_DOMAIN_ID unique
  • Le même ROS_DOMAIN_ID doit être défini sur le robot et le PC

🔧 Exemple à ajouter dans ~/.bashrc :

export ROS_DOMAIN_ID=12

🛑 Ne pas utiliser le même numéro que les autres groupes dans la salle (si réseau commun)

🖥️ La CLI ROS 2 (ros2)

ROS 2 fournit une interface en ligne de commande (CLI) puissante pour interagir avec l’écosystème :

🧰 Commande principale :

ros2 <commande> [options]

✅ Idéal pour inspecter, tester, lancer ou déboguer des éléments ROS 2 directement en terminal.

🔧 Commandes courantes

Catégorie Exemple Description
📦 Packages ros2 pkg list Liste tous les packages installés
🧠 Nœuds ros2 node list Liste les nœuds actifs
📨 Topics ros2 topic echo /scan Affiche les messages publiés sur un topic
⚙️ Paramètres ros2 param list Liste les paramètres d’un nœud
🔁 Services ros2 service list Liste les services disponibles
🎯 Actions ros2 action list Liste les actions disponibles
🧪 Diagnostic ros2 doctor Diagnostique l’installation ROS 2

🔧 Travaux pratiques

Liens utilisés

  • Image RVIZ : Pütz, Sebastian & Wiemann, Thomas & Hertzberg, Joachim. (2019). Tools for Visualizing, Annotating and Storing Triangle Meshes in ROS and RViz. 1-6. 10.1109/ECMR.2019.8870953.
  • ROS 2 Architecture Overview