【Gazebo入门教程】第三讲 SDF文件的静/动态编程建模

一、自定义模型并导入Gazebo

• 内容简介：本节内容以一个两轮移动机器人为例，使用差动驱动机构运动，从无到有，使用SDF完成建模并在Gazebo中完成仿真，重点在于通过建模的细致流程掌握如何使用SDF文件和Gazebo软件完成机器人仿真。

1. 基础操作准备

• 注意：Gazebo的模型文件有着严格的要求，具体规则可见SDF格式

\qquad ① 创建模型目录

mkdir -p ~/.gazebo/models/my_robot
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\qquad ② 创建模型配置文件

gedit ~/.gazebo/models/my_robot/model.config
1

\qquad 元数据（config）内容如下：

	
	<model>
	  <name>My Robotname>
	  <version>1.0version>
	  <sdf version='1.4'>model.sdfsdf>
	
	  <author>
	   <name>My Namename>
	   <email>me@my.emailemail>
	  author>
	
	  <description>
	    My awesome robot.
	  description>
	model>
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\qquad ② 创建模型配置文件

gedit ~/.gazebo/models/my_robot/model.sdf
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\qquad 必要标记（sdf）内容如下：

	
	<sdf version='1.4'>
	  <model name="my_robot">
	  model>
	sdf>
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2. 建立模型基础部件（静态）

• 基本要求：本节内容主要是单独创建机器人的各部件，例如底座、轮子等，不涉及相关关节连杆等链接内容，重点在于对齐组件，故模型为静态，忽略物理效果。

\qquad ① 令机器人模型静态

注意：在static标签后将会在link标签下生成对应部件，通过collision的name隔开，故在后代码展示中则会忽略一部分，请自行补充

	
	<sdf version='1.4'>
	  <model name="my_robot">
	  <static>truestatic>
	  model>
	sdf>
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\qquad ② 创建长方体的底座

代码解释：

1. box 标签，用于产生对应尺寸的长方体
2. collision 标签，指定碰撞尺寸
3. visual 标签，指定视觉尺寸，常见情况下与collision相同

<sdf version='1.4'>
  <model name="my_robot">
  <static>truestatic>
    <link name='chassis'>
      <pose>0 0 .1 0 0 0pose>

      <collision name='collision'>
        <geometry>
          <box>
            <size>.4 .2 .1size>
          box>
        geometry>
      collision>

      <visual name='visual'>
        <geometry>
          <box>
            <size>.4 .2 .1size>
          box>
        geometry>
      visual>
    link>
  model>
sdf>
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\qquad ③ 创建脚轮（万向轮）

注意：脚轮固定在底座上，故二者同属一个link

<collision name='caster_collision'>
        <pose>-0.15 0 -0.05 0 0 0pose>
        <geometry>
            <sphere>
            <radius>.05radius>
          sphere>
        geometry>

        <surface>
          <friction>
            <ode>
              <mu>0mu>
              <mu2>0mu2>
              <slip1>1.0slip1>
              <slip2>1.0slip2>
            ode>
          friction>
        surface>
      collision>

      <visual name='caster_visual'>
        <pose>-0.15 0 -0.05 0 0 0pose>
        <geometry>
          <sphere>
            <radius>.05radius>
          sphere>
        geometry>
      visual>
    link>
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\qquad ④ 创建前轮和后轮

注意：前轮和后轮分别创建了新的link

	  <link name="left_wheel">
      <pose>0.1 0.13 0.1 0 1.5707 1.5707pose>

      <collision name="collision">
        <geometry>
          <cylinder>
            <radius>.1radius>
            <length>.05length>
          cylinder>
        geometry>
      collision>

      <visual name="visual">
        <geometry>
          <cylinder>
            <radius>.1radius>
            <length>.05length>
          cylinder>
        geometry>
      visual>
    link>

    <link name="right_wheel">
      <pose>0.1 -0.13 0.1 0 1.5707 1.5707pose>

      <collision name="collision">
        <geometry>
          <cylinder>
            <radius>.1radius>
            <length>.05length>
          cylinder>
        geometry>
      collision>

      <visual name="visual">
        <geometry>
          <cylinder>
            <radius>.1radius>
            <length>.05length>
          cylinder>
        geometry>
      visual>
    link>
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\qquad ⑤ 导入Gazebo可视化模型

• 使用INSERT导入对应文件夹的模型，可看到模型如下：

注意：修改SDF文件后，只需要删除原有模型重新插入就会更新模型

3. 创建关节连接部件（动态）

• 基本要求：将static设为false，为左右车轮添加铰链关节，关节绕Y轴旋转，将各车轮连接到底盘

	<static>falsestatic>
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	<joint type="revolute" name="left_wheel_hinge">
      <pose>0 0 -0.03 0 0 0pose>
      <child>left_wheelchild>
      <parent>chassisparent>
      <axis>
        <xyz>0 1 0xyz>
      axis>
    joint>

    <joint type="revolute" name="right_wheel_hinge">
      <pose>0 0 0.03 0 0 0pose>
      <child>right_wheelchild>
      <parent>chassisparent>
      <axis>
        <xyz>0 1 0xyz>
      axis>
    joint>
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4. Gazebo基本仿真

• 基本操作：启动Gazebo，插入最新模型，打开隐藏的右面板，选择好要控制的模型，如下图给Force下的各关节力进行修改，机器人就会发生移动：

二、创建Velodyne HDL-32 LiDAR传感器

• 内容简介：本节内容以一个两轮移动机器人为例，使用差动驱动机构运动，从无到有，使用SDF完成建模并在Gazebo中完成仿真，重点在于通过建模的细致流程掌握如何使用SDF文件和Gazebo软件完成机器人仿真。

1. 创建基本世界

• 创建新的.world文件：

	gedit velodyne.world
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• 创建世界的环境：地面与光线

<sdf version="1.5">
  <world name="default">

    
    <include>
      <uri>model://sunuri>
    include>

    
    <include>
      <uri>model://ground_planeuri>
    include>
  world>
sdf>
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2. 创建传感器静态模型

• 传感器基础部分2D绘图如下：

• 对应代码如下：位于< world >的内部

<model name="velodyne_hdl-32">
  
  <link name="base">

    
    <pose>0 0 0.029335 0 0 0pose>
    <collision name="base_collision">
      <geometry>
        <cylinder>
          
          <radius>.04267radius>
          <length>.05867length>
        cylinder>
      geometry>
    collision>

    
    <visual name="base_visual">
      <geometry>
        <cylinder>
          <radius>.04267radius>
          <length>.05867length>
        cylinder>
      geometry>
    visual>
  link>

  
  <link name="top">

    
    <pose>0 0 0.095455 0 0 0pose>
    <collision name="top_collision">
      <geometry>
        <cylinder>
          
          <radius>0.04267radius>
          <length>0.07357length>
        cylinder>
      geometry>
    collision>

    
    <visual name="top_visual">
      <geometry>
        <cylinder>
          <radius>0.04267radius>
          <length>0.07357length>
        cylinder>
      geometry>
    visual>
  link>
model>
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• 启动Gazebo查看模型：(先cd到文件路径下)

	cd ~/
	gazebo velodyne.world -u  
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• 查看碰撞属性：右键点击模型，view→Collisions

3. 添加模型惯性

• 3.1 查看当前惯性值：右键单击模型，选择View->Inertia

注意：紫色框对应关联的链接大小，此时模型没有惯性信息，故尺寸过大

• 3.2 添加惯性信息：质量设为1.3kg，添加对应质量和惯性矩阵

在< link name=“base” >块中添加以下内容：

  <link name="base">
    <pose>0 0 0.029335 0 0 0pose>
    <inertial>
      <mass>1.2mass>
      <inertia>
        <ixx>0.001087473ixx>
        <iyy>0.001087473iyy>
        <izz>0.001092437izz>
        <ixy>0ixy>
        <ixz>0ixz>
        <iyz>0iyz>
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在< link name=“top” >块中添加以下内容：

 <link name="top">
   <pose>0 0 0.095455 0 0 0pose>
   <inertial>
     <mass>0.1mass>
     <inertia>
       <ixx>0.000090623ixx>
       <iyy>0.000090623iyy>
       <izz>0.000091036izz>
       <ixy>0ixy>
       <ixz>0ixz>
       <iyz>0iyz>
     inertia>
   inertial>
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最终效果如下：

4. 添加关节

• 4.1 定义顶部围绕底部旋转关节，在< world >最后添加内容如下：

<joint type="revolute" name="joint">

  
  <pose>0 0 -0.036785 0 0 0pose>

  
  <parent>baseparent>

  
  <child>topchild>

  
  <axis>

    
    <xyz>0 0 1xyz>

    
    <limit>

      
      <lower>-10000000000000000lower>
      <upper>10000000000000000upper>
    limit>
  axis>
joint>
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• 4.2 检验效果：

1. 启动Gazebo，右键单击模型，选择View->Joints，View->Transparent

2. 打开右面板，选择Velodyne模型。使用Force选项卡向关节施加较小的，可看到关节旋转即可

5. 添加传感器

• 传感器基本信息：

激光传感器，可以发出一个或多个光束，光束产生距离和强度数据，对应SDF文件中的< scan >和< range >，分别对应波束的布局、数量和限定束的性质，其中< scan >中包含< horizontal >和< vertical >两个块。< horizontal >组件定义在水平平面中发出的光线，该< vertical >组件定义在垂直平面中发出的光线，Velodyne传感器需要垂直射线，然后旋转。我们将其模拟为旋转的水平扇面。

• 添加并设置传感器：(在的最后部分添加以下内容)

<sensor type="ray" name="sensor">

  
  <pose>0 0 -0.004645 1.5707 0 0pose>

  
  <visualize>truevisualize>

  
  <update_rate>30update_rate>
  <ray>

  
  <scan>

    
    <horizontal>
      
      <samples>32samples>

      
      <resolution>1resolution>

      
      <min_angle>-0.53529248min_angle>

      
      <max_angle>0.18622663max_angle>
    horizontal>
  scan>

  
  <range>

    
    <min>0.05min>

    
    <max>70max>

    
    <resolution>0.02resolution>
  range>
ray>
sensor>
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• 查看仿真效果：

• 添加高斯噪声：

在< sensor >的子标签< ray >中添加如下代码：

<noise>
     
     <type>gaussiantype>
     <mean>0.0mean>
     <stddev>0.1stddev>
noise>
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效果如下：

• 通过Ctrl+T打开topic visualization查看：

总结

• 内容分析：本篇博客主要介绍了在Gazebo中如何使用SDF进行手动的编程建模，通过编写SDF文件，实现对于机器人从无到有的一步步建造，体会SDF文件的语法使用，并在文章整体使用两个具体实例，分别是轮式小车和Velodyne HDL-32 LiDAR传感器模型进行了深入研究。

• 注意：本文参考了Gazebo官方网站以及古月居中的Gazebo有关教程，主要目的是方便自行查询知识，巩固学习经验，无任何商业用途。