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【ROS进阶篇】第十讲 基于Gazebo的URDF集成仿真流程及实例
【ROS进阶篇】第十讲 基于Gazebo的URDF集成仿真流程及实例
前言
在上一节博客中我们系统的学习了如何在RVIZ中使用Arbotix实现对于使用URDF文件生成的机器人模型的运动控制，并通过一个简单的运动实例讲解了具体的仿真流程，本节内容主要聚焦于如何在Gazebo中集成URDF文件对应的机器人模型，为今后的联合仿真打下基础，也初步认识了Gazebo仿真软件该如何使用。
\qquad一、URDF与Gazebo的基本集成流程
1. 基本流程介绍
第一步，创建功能包：
\qquad 依赖项：urdf、xacro、gazebo_ros、gazebo_ros_control、gazebo_plugins等
第二步，编写URDF文件组建机器人模型：
<robot name="mycar"> <link name="base_link"> <visual> <geometry> <box size="0.5 0.2 0.1" /> geometry> <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" /> <material name="yellow"> <color rgba="0.5 0.3 0.0 1" /> material> visual> <collision> <geometry> <box size="0.5 0.2 0.1" /> geometry> <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" /> collision> <inertial> <origin xyz="0 0 0" /> <mass value="6" /> <inertia ixx="1" ixy="0" ixz="0" iyy="1" iyz="0" izz="1" /> inertial> link> <gazebo reference="base_link"> <material>Gazebo/Blackmaterial> gazebo> robot>- 1
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注意：在此处URDF文件有关键要求，对于标签的使用存在与Rviz外的额外要求，在集成相关设置中具体讲述；
第三步，启动Gazebo并显示模型：launch文件编写
<launch> <param name="robot_description" textfile="$(find demo02_urdf_gazebo)/urdf/urdf01_helloworld.urdf" /> <include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch" /> <node pkg="gazebo_ros" type="spawn_model" name="model" args="-urdf -model mycar -param robot_description" /> launch>- 1
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2. 集成相关设置
第一项，必须添加 collision 标签
- 原因：对于Gazebo仿真来说，先要实现环境的完整仿真，必然涉及到碰撞检测，就需要添加collision提供依据；
\qquad 当机器人的link属于标准几何体时，碰撞设置与link的visual属性一致即可；
第二项，必须添加 inertial 标签
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原因：此标签标注了当前机器人某个刚体部分的惯性矩阵，用于一些力学相关的仿真计算，除了 base_footprint 外，机器人的每个刚体部分都需要设置惯性矩阵，且此矩阵必须准确得到，否则会出现抖动等现象；
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设置方法：结合link的质量与外形参数动态生成，标准矩阵举例如下：
- 球体惯性矩阵
<xacro:macro name="sphere_inertial_matrix" params="m r"> <inertial> <mass value="${m}" /> <inertia ixx="${2*m*r*r/5}" ixy="0" ixz="0" iyy="${2*m*r*r/5}" iyz="0" izz="${2*m*r*r/5}" /> inertial> xacro:macro>- 1
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- 圆柱惯性矩阵
<xacro:macro name="cylinder_inertial_matrix" params="m r h"> <inertial> <mass value="${m}" /> <inertia ixx="${m*(3*r*r+h*h)/12}" ixy = "0" ixz = "0" iyy="${m*(3*r*r+h*h)/12}" iyz = "0" izz="${m*r*r/2}" /> inertial> xacro:macro>- 1
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- 立方体惯性矩阵
<xacro:macro name="Box_inertial_matrix" params="m l w h"> <inertial> <mass value="${m}" /> <inertia ixx="${m*(h*h + l*l)/12}" ixy = "0" ixz = "0" iyy="${m*(w*w + l*l)/12}" iyz= "0" izz="${m*(w*w + h*h)/12}" /> inertial> xacro:macro>- 1
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第三项，使用gazebo标签重新标注颜色
- 原因：之前的颜色设置为了方便调试包含透明度，而在gazebo仿真环境下没有此选项；
- 设置方法：使用指定标签显示，示例如下：
<gazebo reference="link节点名称"> <material>Gazebo/Bluematerial> gazebo>- 1
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二、集成仿真实例
第一步，编写惯性矩阵算法相关的xacro文件
<robot name="base" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro"> <xacro:macro name="sphere_inertial_matrix" params="m r"> <inertial> <mass value="${m}" /> <inertia ixx="${2*m*r*r/5}" ixy="0" ixz="0" iyy="${2*m*r*r/5}" iyz="0" izz="${2*m*r*r/5}" /> inertial> xacro:macro> <xacro:macro name="cylinder_inertial_matrix" params="m r h"> <inertial> <mass value="${m}" /> <inertia ixx="${m*(3*r*r+h*h)/12}" ixy = "0" ixz = "0" iyy="${m*(3*r*r+h*h)/12}" iyz = "0" izz="${m*r*r/2}" /> inertial> xacro:macro> <xacro:macro name="Box_inertial_matrix" params="m l w h"> <inertial> <mass value="${m}" /> <inertia ixx="${m*(h*h + l*l)/12}" ixy = "0" ixz = "0" iyy="${m*(w*w + l*l)/12}" iyz= "0" izz="${m*(w*w + h*h)/12}" /> inertial> xacro:macro> robot>- 1
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第二步，对机器人模型中的各link添加相关设置（collision、inertial、颜色）
\qquad 1. 底盘Xacro文件
<robot name="my_base" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro"> <xacro:property name="PI" value="3.1415926"/> <material name="black"> <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" /> material> <xacro:property name="base_footprint_radius" value="0.001" /> <xacro:property name="base_link_radius" value="0.1" /> <xacro:property name="base_link_length" value="0.08" /> <xacro:property name="earth_space" value="0.015" /> <xacro:property name="base_link_m" value="0.5" /> <link name="base_footprint"> <visual> <geometry> <sphere radius="${base_footprint_radius}" /> geometry> visual> link> <link name="base_link"> <visual> <geometry> <cylinder radius="${base_link_radius}" length="${base_link_length}" /> geometry> <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" /> <material name="yellow"> <color rgba="0.5 0.3 0.0 0.5" /> material> visual> <collision> <geometry> <cylinder radius="${base_link_radius}" length="${base_link_length}" /> geometry> <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" /> collision> <xacro:cylinder_inertial_matrix m="${base_link_m}" r="${base_link_radius}" h="${base_link_length}" /> link> <joint name="base_link2base_footprint" type="fixed"> <parent link="base_footprint" /> <child link="base_link" /> <origin xyz="0 0 ${earth_space + base_link_length / 2 }" /> joint> <gazebo reference="base_link"> <material>Gazebo/Yellowmaterial> gazebo> <xacro:property name="wheel_radius" value="0.0325" /> <xacro:property name="wheel_length" value="0.015" /> <xacro:property name="wheel_m" value="0.05" /> <xacro:macro name="add_wheels" params="name flag"> <link name="${name}_wheel"> <visual> <geometry> <cylinder radius="${wheel_radius}" length="${wheel_length}" /> geometry> <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="${PI / 2} 0.0 0.0" /> <material name="black" /> visual> <collision> <geometry> <cylinder radius="${wheel_radius}" length="${wheel_length}" /> geometry> <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="${PI / 2} 0.0 0.0" /> collision> <xacro:cylinder_inertial_matrix m="${wheel_m}" r="${wheel_radius}" h="${wheel_length}" /> link> <joint name="${name}_wheel2base_link" type="continuous"> <parent link="base_link" /> <child link="${name}_wheel" /> <origin xyz="0 ${flag * base_link_radius} ${-(earth_space + base_link_length / 2 - wheel_radius) }" /> <axis xyz="0 1 0" /> joint> <gazebo reference="${name}_wheel"> <material>Gazebo/Redmaterial> gazebo> xacro:macro> <xacro:add_wheels name="left" flag="1" /> <xacro:add_wheels name="right" flag="-1" /> <xacro:property name="support_wheel_radius" value="0.0075" /> <xacro:property name="support_wheel_m" value="0.03" /> <xacro:macro name="add_support_wheel" params="name flag" > <link name="${name}_wheel"> <visual> <geometry> <sphere radius="${support_wheel_radius}" /> geometry> <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" /> <material name="black" /> visual> <collision> <geometry> <sphere radius="${support_wheel_radius}" /> geometry> <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" /> collision> <xacro:sphere_inertial_matrix m="${support_wheel_m}" r="${support_wheel_radius}" /> link> <joint name="${name}_wheel2base_link" type="continuous"> <parent link="base_link" /> <child link="${name}_wheel" /> <origin xyz="${flag * (base_link_radius - support_wheel_radius)} 0 ${-(base_link_length / 2 + earth_space / 2)}" /> <axis xyz="1 1 1" /> joint> <gazebo reference="${name}_wheel"> <material>Gazebo/Redmaterial> gazebo> xacro:macro> <xacro:add_support_wheel name="front" flag="1" /> <xacro:add_support_wheel name="back" flag="-1" /> robot>- 1
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\qquad 2. 摄像头Xacro文件
<robot name="my_camera" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro"> <xacro:property name="camera_length" value="0.01" /> <xacro:property name="camera_width" value="0.025" /> <xacro:property name="camera_height" value="0.025" /> <xacro:property name="camera_x" value="0.08" /> <xacro:property name="camera_y" value="0.0" /> <xacro:property name="camera_z" value="${base_link_length / 2 + camera_height / 2}" /> <xacro:property name="camera_m" value="0.01" /> <link name="camera"> <visual> <geometry> <box size="${camera_length} ${camera_width} ${camera_height}" /> geometry> <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" /> <material name="black" /> visual> <collision> <geometry> <box size="${camera_length} ${camera_width} ${camera_height}" /> geometry> <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" /> collision> <xacro:Box_inertial_matrix m="${camera_m}" l="${camera_length}" w="${camera_width}" h="${camera_height}" /> link> <joint name="camera2base_link" type="fixed"> <parent link="base_link" /> <child link="camera" /> <origin xyz="${camera_x} ${camera_y} ${camera_z}" /> joint> <gazebo reference="camera"> <material>Gazebo/Bluematerial> gazebo> robot>- 1
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\qquad 3. 雷达Xacro文件
<robot name="my_laser" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro"> <xacro:property name="support_length" value="0.15" /> <xacro:property name="support_radius" value="0.01" /> <xacro:property name="support_x" value="0.0" /> <xacro:property name="support_y" value="0.0" /> <xacro:property name="support_z" value="${base_link_length / 2 + support_length / 2}" /> <xacro:property name="support_m" value="0.02" /> <link name="support"> <visual> <geometry> <cylinder radius="${support_radius}" length="${support_length}" /> geometry> <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" /> <material name="red"> <color rgba="0.8 0.2 0.0 0.8" /> material> visual> <collision> <geometry> <cylinder radius="${support_radius}" length="${support_length}" /> geometry> <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" /> collision> <xacro:cylinder_inertial_matrix m="${support_m}" r="${support_radius}" h="${support_length}" /> link> <joint name="support2base_link" type="fixed"> <parent link="base_link" /> <child link="support" /> <origin xyz="${support_x} ${support_y} ${support_z}" /> joint> <gazebo reference="support"> <material>Gazebo/Whitematerial> gazebo> <xacro:property name="laser_length" value="0.05" /> <xacro:property name="laser_radius" value="0.03" /> <xacro:property name="laser_x" value="0.0" /> <xacro:property name="laser_y" value="0.0" /> <xacro:property name="laser_z" value="${support_length / 2 + laser_length / 2}" /> <xacro:property name="laser_m" value="0.1" /> <link name="laser"> <visual> <geometry> <cylinder radius="${laser_radius}" length="${laser_length}" /> geometry> <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" /> <material name="black" /> visual> <collision> <geometry> <cylinder radius="${laser_radius}" length="${laser_length}" /> geometry> <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" /> collision> <xacro:cylinder_inertial_matrix m="${laser_m}" r="${laser_radius}" h="${laser_length}" /> link> <joint name="laser2support" type="fixed"> <parent link="support" /> <child link="laser" /> <origin xyz="${laser_x} ${laser_y} ${laser_z}" /> joint> <gazebo reference="laser"> <material>Gazebo/Blackmaterial> gazebo> robot>- 1
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\qquad 4. 组合Xacro文件
<robot name="my_car_camera" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro"> <xacro:include filename="my_head.urdf.xacro" /> <xacro:include filename="my_base.urdf.xacro" /> <xacro:include filename="my_camera.urdf.xacro" /> <xacro:include filename="my_laser.urdf.xacro" /> robot>- 1
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第三步，编写launch文件，在gazebo中执行
<launch> <param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro $(find demo02_urdf_gazebo)/urdf/xacro/my_base_camera_laser.urdf.xacro" /> <include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch" /> <node pkg="gazebo_ros" type="spawn_model" name="model" args="-urdf -model mycar -param robot_description" /> launch> n" command="$(find xacro)/xacro $(find demo02_urdf_gazebo)/urdf/xacro/my_base_camera_laser.urdf.xacro" /> <include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch" /> <node pkg="gazebo_ros" type="spawn_model" name="model" args="-urdf -model mycar -param robot_description" /> launch>- 1
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显示效果如下：
三、Gazebo仿真环境搭建
1. 仿真环境创建方式
- 方式1：启动Gazebo，添加内置组件创建环境；
- 方式2：自定义完成，手动绘制仿真环境；
- 方式3：直接下载第三方/官方仿真环境插件；
2. 内置组件创建仿真环境
- 2.1 启动gazebo，添加基本插件
- 2.2 保存仿真环境（.world文件）
- 2.3 编写启动文件
<launch> <param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro $(find demo02_urdf_gazebo)/urdf/xacro/my_base_camera_laser.urdf.xacro" /> <include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch"> <arg name="world_name" value="$(find demo02_urdf_gazebo)/worlds/hello.world" /> include> <node pkg="gazebo_ros" type="spawn_model" name="model" args="-urdf -model mycar -param robot_description" /> launch>- 1
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3. 手动绘制仿真环境
- 3.1 Edit->Building Editor，打开构建面板绘制环境
- 3.2 file->save，file->Exit Building Editor，添加插件后保存环境文件；
- 3.3 编写启动文件（同上）
4. 直接下载仿真环境
- 4.1 下载模型库
这里以官方模型库为例，git下载较为耗时，可自行寻找目标文件
git clone https://github.com/osrf/gazebo_models- 1
- 4.2 应用模板文件
- 复制文件：
将gazebo_models文件夹内容复制到 /usr/share/gazebo-*/models - 重启gazebo，应用文件：
选择左侧菜单栏的 insert 可以选择并插入相关道具
总结
- 声明：本节博客部分参考了CSDN用户赵虚左的ROS教程，本文主要内容是在Gazebo中集成由URDF文件生成的机器人模型，从集成流程出发，深入理解如何使用Gazebo仿真组件对机器人进行仿真，并在文章后部附上了对Gazebo仿真环境的创建以及集成仿真实例，下篇博客将会进入联合仿真阶段，重点探讨如何对传感器数据进行收集并通过Rviz实现可视化分析，敬请期待。
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- 原文地址：https://blog.csdn.net/lc1852109/article/details/126007484