Gazebo物理仿真环境搭建
仿真步骤
- 配置机器人模型
- 创建仿真环境
- 开始仿真
机器人底盘仿真
为各link添加惯性参数和碰撞属性与gazebo标签
在前面属性声明处 增加了各link的质量（mass）属性声明 为计算惯性参数
<!-- PROPERTY LIST -->
<xacro:property name="M_PI" value="3.1415926"/>
<!-- base -->
<xacro:property name="base_mass" value="20" /> <!-- bass mass -->
<xacro:property name="base_radius" value="0.20"/>
<xacro:property name="base_length" value="0.16"/>
<!-- wheel -->
<xacro:property name="wheel_mass" value="2" /> <!-- wheel mass -->
<xacro:property name="wheel_radius" value="0.06"/>
<xacro:property name="wheel_length" value="0.025"/>
<xacro:property name="wheel_joint_y" value="0.19"/>
<xacro:property name="wheel_joint_z" value="0.05"/>
<!-- caster -->
<xacro:property name="caster_mass" value="0.5" /> <!-- caster mass -->
<xacro:property name="caster_radius" value="0.015"/>
<xacro:property name="caster_joint_x" value="0.18"/>颜色属性声明
这里得颜色在gazebo中是识别不出来得
rivz得颜色显示不一样
<!-- Defining the colors used in this robot -->
<material name="yellow">
<color rgba="1 0.4 0 1"/>
</material>
<material name="black">
<color rgba="0 0 0 0.95"/>
</material>
<material name="gray">
<color rgba="0.75 0.75 0.75 1"/>
</material>宏定义 球体惯性矩阵计算宏定义
宏定义 圆柱体惯性矩阵计算宏定义
此部分惯性矩阵的计算规则刚体是有统一的计算公式，
不规则的刚体可以通过solid work等三维软件得到
<!-- Macro for inertia matrix -->
<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>下面是主要添加部分 在各模块里添加
- 为link增加惯性属性和碰撞属性
- 为link添加gazebo标签
- 为joint添加传动装置
1、增加惯性属性和碰撞属性
<!-- Macro for robot wheel -->
<xacro:macro name="wheel" params="prefix reflect">
<joint name="${prefix}_wheel_joint" type="continuous">
<origin xyz="0 ${reflect*wheel_joint_y} ${-wheel_joint_z}" rpy="0 0 0"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="${prefix}_wheel_link"/>
<axis xyz="0 1 0"/>
</joint>
<link name="${prefix}_wheel_link">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="${M_PI/2} 0 0" />
<geometry>
<cylinder radius="${wheel_radius}" length = "${wheel_length}"/>
</geometry>
<material name="gray" />
</visual>
<!-- collision -->
<!-- the same with visual -->
<collision>
<origin xyz="0 0 0" rpy="${M_PI/2} 0 0" />
<geometry>
<cylinder radius="${wheel_radius}" length = "${wheel_length}"/>
</geometry>
</collision>
<!-- inertial -->
<cylinder_inertial_matrix m="${wheel_mass}" r="${wheel_radius}" h="${wheel_length}" />
</link>2、添加gazebo标签
为各link配颜色 ，gazebo与rivz颜色设置不兼容
<!-- Add gazebo tag to link -->
<gazebo reference="${prefix}_wheel_link">
<material>Gazebo/Gray</material>
</gazebo>3、为joint添加传动装置
用得 transmission 标签
小车轮子用速度控制接口
除此之外还有位置控制接口和力控制接口
<!-- Transmission is important to link the joints and the controller -->
<transmission name="${prefix}_wheel_joint_trans">
<type>transmission_interface/SimpleTransmission</type>
<joint name="${prefix}_wheel_joint" >
<hardwareInterface>hardware_interface/VelocityJointInterface</hardwareInterface>
</joint>
<actuator name="${prefix}_wheel_joint_motor">
<hardwareInterface>hardware_interface/VelocityJointInterface</hardwareInterface>
<mechanicalReduction>1</mechanicalReduction>
</actuator>
</transmission>
</xacro:macro>同理为前后支撑轮加入内容
1、增加惯性属性和碰撞属性
<!-- Macro for robot caster -->
<xacro:macro name="caster" params="prefix reflect">
<joint name="${prefix}_caster_joint" type="continuous">
<origin xyz="${reflect*caster_joint_x} 0 ${-(base_length/2 + caster_radius)}" rpy="0 0 0"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="${prefix}_caster_link"/>
<axis xyz="0 1 0"/>
</joint>
<link name="${prefix}_caster_link">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
<geometry>
<sphere radius="${caster_radius}" />
</geometry>
<material name="black" />
</visual>
<!-- 碰撞属性 -->
<collision>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
<geometry>
<sphere radius="${caster_radius}" />
</geometry>
</collision>
<!-- 惯性属性 -->
<sphere_inertial_matrix m="${caster_mass}" r="${caster_radius}" />
</link>2、添加gazebo标签
为各link配颜色
<gazebo reference="${prefix}_caster_link">
<material>Gazebo/Black</material>
</gazebo>
</xacro:macro>3、由于不用驱动支撑轮
所以 不用 为joint添加传动装置
为base_link添加内容
给 base_footprint 添加标签
<xacro:macro name="mbot_base_gazebo">
<link name="base_footprint">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
<geometry>
<box size="0.001 0.001 0.001" />
</geometry>
</visual>
</link>
<!-- 给 base_footprint 添加标签 -->
<gazebo reference="base_footprint">
<turnGravityOff>false</turnGravityOff>
</gazebo>
<joint name="base_footprint_joint" type="fixed">
<origin xyz="0 0 ${base_length/2 + caster_radius*2}" rpy="0 0 0" />
<parent link="base_footprint"/>
<child link="base_link" />
</joint>为base_link添加碰撞属性和惯性属性
<link name="base_link">
<visual>
<origin xyz=" 0 0 0" rpy="0 0 0" />
<geometry>
<cylinder length="${base_length}" radius="${base_radius}"/>
</geometry>
<material name="yellow" />
</visual>
<collision>
<origin xyz=" 0 0 0" rpy="0 0 0" />
<geometry>
<cylinder length="${base_length}" radius="${base_radius}"/>
</geometry>
</collision>
<cylinder_inertial_matrix m="${base_mass}" r="${base_radius}" h="${base_length}" />
</link>为base_link添加gazebo标签
<gazebo reference="base_link">
<material>Gazebo/Blue</material>
</gazebo>添加gazebo控制插件 相当于驱动板
小车需要差速控制器，gazebo里得差速控制器得插件是现成得
libgazebo_ros_diff_drive.so
插件需要如下参数
<!-- controller -->
<gazebo>
<plugin name="differential_drive_controller"
filename="libgazebo_ros_diff_drive.so"> <!-- gazebo提供得差速控制器插件 -->
<!-- 控制器所需参数 -->
<rosDebugLevel>Debug</rosDebugLevel>
<publishWheelTF>true</publishWheelTF>
<robotNamespace>/</robotNamespace><!-- 机器人命名空间 订阅和发布得话题 前面 会加上命名空间 /说明没有添加-->
<publishTf>1</publishTf>
<publishWheelJointState>true</publishWheelJointState>
<alwaysOn>true</alwaysOn>
<updateRate>100.0</updateRate>
<legacyMode>true</legacyMode>
<leftJoint>left_wheel_joint</leftJoint> <!-- 控制得joint在哪里，必须和上面得joint名称一致 -->
<rightJoint>right_wheel_joint</rightJoint><!-- 控制得joint在哪里，必须和上面得joint名称一致 -->
<wheelSeparation>${wheel_joint_y*2}</wheelSeparation><!-- 两个轮子得间距 -->
<wheelDiameter>${2*wheel_radius}</wheelDiameter>
<broadcastTF>1</broadcastTF>
<wheelTorque>30</wheelTorque>
<wheelAcceleration>1.8</wheelAcceleration>
<commandTopic>cmd_vel</commandTopic> <!-- 订阅得话题：速度控制指令 -->
<odometryFrame>odom</odometryFrame>
<odometryTopic>odom</odometryTopic> <!-- 发布里程计信息 -->
<robotBaseFrame>base_footprint</robotBaseFrame><!-- 设置controler所控制的机器人的坐标系是哪个坐标系 -->
</plugin>
</gazebo> 写launch文件
<launch>
<!-- 设置launch文件的参数 -->
<arg name="paused" default="false"/>
<arg name="use_sim_time" default="true"/>
<arg name="gui" default="true"/>
<arg name="headless" default="false"/>
<arg name="debug" default="false"/>
<!-- 运行gazebo仿真环境 -->
<include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch">
<arg name="debug" value="$(arg debug)" />
<arg name="gui" value="$(arg gui)" />
<arg name="paused" value="$(arg paused)"/>
<arg name="use_sim_time" value="$(arg use_sim_time)"/>
<arg name="headless" value="$(arg headless)"/>
</include>
<!-- 加载机器人模型描述参数 -->
<param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro --inorder '$(find mbot_description)/urdf/xacro/gazebo/mbot_gazebo.xacro'" />
<!-- 运行joint_state_publisher节点，发布机器人的关节状态 -->
<node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" ></node>
<!-- 运行robot_state_publisher节点，发布tf -->
<node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" output="screen" >
<param name="publish_frequency" type="double" value="50.0" />
</node>
<!-- 在gazebo中加载机器人模型-->
<node name="urdf_spawner" pkg="gazebo_ros" type="spawn_model" respawn="false" output="screen"
args="-urdf -model mrobot -param robot_description"/>
</launch>运行launch得到gazebo中的机器人仿真模型
创建仿真环境
可以选择insert
先坐标系中加入已有的模型
也可以通过edit的下拉菜单中的building editor创建一个环境
创建完成后在file下拉菜单中选择save world as 将环境以.world文件形式保存。
在launch文件中
设置launch文件的参数处加如.world文件的路径即可
<arg name="world_name" value="$(find mbot_gazebo)/worlds/playground.world"/><!-- 要加入的部分 --> <!-- 设置launch文件的参数 -->
<arg name="world_name" value="$(find mbot_gazebo)/worlds/playground.world"/><!-- 要加入的部分 -->
<arg name="paused" default="false"/>
<arg name="use_sim_time" default="true"/>
<arg name="gui" default="true"/>
<arg name="headless" default="false"/>
<arg name="debug" default="false"/>传感器仿真
摄像头仿真
为摄像头link添加碰撞属性和惯性属性
新建一个xacro文件，方便机器人更换传感器
<?xml version="1.0"?>
<robot xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro" name="camera">宏定义摄像头
<xacro:macro name="usb_camera" params="prefix:=camera">为摄像头link添加碰撞属性和惯性属性
<link name="${prefix}_link">
<inertial>
<mass value="0.1" />
<origin xyz="0 0 0" />
<inertia ixx="0.01" ixy="0.0" ixz="0.0"
iyy="0.01" iyz="0.0"
izz="0.01" />
</inertial>
<visual>
<origin xyz=" 0 0 0 " rpy="0 0 0" />
<geometry>
<box size="0.01 0.04 0.04" />
</geometry>
<material name="black"/>
</visual>
<collision>
<origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0 0 0" />
<geometry>
<box size="0.01 0.04 0.04" />
</geometry>
</collision>
</link>添加gazebo标签
<gazebo reference="${prefix}_link">
<material>Gazebo/Black</material>
</gazebo>添加gazebo摄像头插件
用gazebo标签去描述，因为用某个link去代表摄像头插件，所以要用reference去指定是哪个link，$ {prefix}_link这个一定要与上面的 < link name="${prefix}_link">一致
<gazebo reference="${prefix}_link"> <!-- 这个sensor代表的link -->在里面用< sensor >标签来描述传感器信息 type指定传感器类型name自己去定义
<sensor type="camera" name="camera_node">sensor里面就是传感器参数的设置
具体参数含义在注释中
<gazebo reference="${prefix}_link"> <!-- 这个sensor代表的link -->
<sensor type="camera" name="camera_node">
<update_rate>30.0</update_rate><!-- 摄像头发布频率 -->
<camera name="head">
<horizontal_fov>1.3962634</horizontal_fov><!-- 摄像头可视范围 -->
<image>
<width>1280</width><!-- 摄像头分辨率 -->
<height>720</height><!-- 摄像头分辨率 -->
<format>R8G8B8</format><!-- 摄像头数据格式 -->
</image>
<clip>
<near>0.02</near><!-- 最近距离 -->
<far>300</far><!-- 最远距离 -->
</clip>
<noise>
<type>gaussian</type><!-- 摄像头高斯噪声 -->
<mean>0.0</mean>
<stddev>0.007</stddev>
</noise>
</camera>
<plugin name="gazebo_camera" filename="libgazebo_ros_camera.so"><!-- 加载插件，实现摄像头功能 -->
<alwaysOn>true</alwaysOn>
<updateRate>0.0</updateRate>
<cameraName>/camera</cameraName><!-- 命名空间 -->
<imageTopicName>image_raw</imageTopicName><!-- 发布图片信息话题名称 -->
<cameraInfoTopicName>camera_info</cameraInfoTopicName><!-- 发布摄像头信息话题名称 -->
frameLabelStart--frameLabelEnd <!-- 数据的坐标系统 -->
<hackBaseline>0.07</hackBaseline>
<distortionK1>0.0</distortionK1>
<distortionK2>0.0</distortionK2>
<distortionK3>0.0</distortionK3>
<distortionT1>0.0</distortionT1>
<distortionT2>0.0</distortionT2>
</plugin>
</sensor>
</gazebo>编写一个含mbot_base和camera的xacro文件
<?xml version="1.0"?>
<robot name="arm" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro">
<xacro:include filename="$(find mbot_description)/urdf/xacro/gazebo/mbot_base_gazebo.xacro" /><!-- include机器人底盘mbot_base_gazebo.xacro -->
<xacro:include filename="$(find mbot_description)/urdf/xacro/sensors/camera_gazebo.xacro" /><!-- include机器人传感器摄像头camera_gazebo.xacro -->
<!-- 声明参数 -->
<xacro:property name="camera_offset_x" value="0.17" />
<xacro:property name="camera_offset_y" value="0" />
<xacro:property name="camera_offset_z" value="0.10" />
<!-- Camera -->
<joint name="camera_joint" type="fixed"><!-- 摄像头joint连接方式 -->
<origin xyz="${camera_offset_x} ${camera_offset_y} ${camera_offset_z}" rpy="0 0 0" />
<parent link="base_link"/>
<child link="camera_link"/>
</joint>
<xacro:usb_camera prefix="camera"/><!-- 调用摄像头宏 -->
<mbot_base_gazebo/><!-- 调用机器人底盘宏 -->
</robot>编写带摄像头的机器人launch文件
其它的都不动，只是改变机器人模型文件和仿真环境文件路径即可
<launch>
<!-- 设置launch文件的参数 -->
<arg name="world_name" value="$(find mbot_gazebo)/worlds/playground.world"/><!-- 改这 -->
<arg name="paused" default="false"/>
<arg name="use_sim_time" default="true"/>
<arg name="gui" default="true"/>
<arg name="headless" default="false"/>
<arg name="debug" default="false"/>
<!-- 运行gazebo仿真环境 -->
<include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch">
<arg name="world_name" value="$(arg world_name)" />
<arg name="debug" value="$(arg debug)" />
<arg name="gui" value="$(arg gui)" />
<arg name="paused" value="$(arg paused)"/>
<arg name="use_sim_time" value="$(arg use_sim_time)"/>
<arg name="headless" value="$(arg headless)"/>
</include>
<!-- 加载机器人模型描述参数 -->
<param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro --inorder '$(find mbot_description)/urdf/xacro/gazebo/mbot_with_camera_gazebo.xacro'" /> <!-- 改这 -->
<!-- 运行joint_state_publisher节点，发布机器人的关节状态 -->
<node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" ></node>
<!-- 运行robot_state_publisher节点，发布tf -->
<node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" output="screen" >
<param name="publish_frequency" type="double" value="50.0" />
</node>
<!-- 在gazebo中加载机器人模型-->
<node name="urdf_spawner" pkg="gazebo_ros" type="spawn_model" respawn="false" output="screen"
args="-urdf -model mrobot -param robot_description"/>
</launch>运行
$roslaunch mbot_gazebo view_mbot_with_camera_gazebo.launch 出现机器人模型和环境物体
用qt工具查看摄像头当前画面
$ rqt_image_view
启动键盘控制
$ roslaunch mbot_teleop mbot_teleop.launch 键盘控制小车移动，画面随之改变
摄像头仿真完成
激光雷达仿真
为激光雷达link添加碰撞属性和惯性属性
新建一个xacro文件，方便机器人更换传感器
<?xml version="1.0"?>
<robot xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro" name="laser">对激光雷达进行宏定义 方便在其它文件中调用
<xacro:macro name="rplidar" params="prefix:=laser">为激光雷达link添加碰撞属性和惯性属性
<link name="${prefix}_link"> <!-- link标签 -->
<!-- 惯性属性 -->
<inertial>
<mass value="0.1" />
<origin xyz="0 0 0" />
<inertia ixx="0.01" ixy="0.0" ixz="0.0"
iyy="0.01" iyz="0.0"
izz="0.01" />
</inertial>
<visual>
<origin xyz=" 0 0 0 " rpy="0 0 0" />
<geometry>
<cylinder length="0.05" radius="0.05"/>
</geometry>
<material name="black"/>
</visual>
<!-- 碰撞属性 -->
<collision>
<origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0 0 0" />
<geometry>
<cylinder length="0.06" radius="0.05"/>
</geometry>
</collision>
</link>为激光雷达link添加gazebo标签
<gazebo reference="${prefix}_link">
<material>Gazebo/Black</material>
</gazebo>添加gazebo激光雷达插件
用gazebo标签去描述，因为用某个link去代表激光雷达插件，所以要用reference去指定是哪个link，$ {prefix}_link这个一定要与上面的 < link name="${prefix}_link">一致
<gazebo reference="${prefix}_link"> <!-- 这个sensor代表的link -->在里面用< sensor >标签来描述传感器信息 type指定传感器类型name自己去定义
<sensor type="ray" name="rplidar">sensor里面就是传感器参数的设置
具体参数含义在注释中
<gazebo reference="${prefix}_link"> <!-- 这个sensor代表的link -->
<sensor type="ray" name="rplidar"> <!-- 这个sensor的类型： ray （射线）-->
<pose>0 0 0 0 0 0</pose>
<visualize>false</visualize>
<update_rate>5.5</update_rate> <!-- 数据更新速率-->
<ray>
<scan><!-- 扫描范围-->
<horizontal>
<samples>360</samples>
<resolution>1</resolution>
<min_angle>-3</min_angle>
<max_angle>3</max_angle>
</horizontal>
</scan>
<range><!-- 扫描距离-->
<min>0.10</min>
<max>6.0</max>
<resolution>0.01</resolution><!-- 精度-->
</range>
<noise>
<type>gaussian</type>
<mean>0.0</mean>
<stddev>0.01</stddev>
</noise>
</ray>
<plugin name="gazebo_rplidar" filename="libgazebo_ros_laser.so"><!-- gazebo中激光雷达插件 -->
<topicName>/scan</topicName>
frameLabelStart--frameLabelEnd
</plugin>
</sensor>
</gazebo>编写一个含mbot_base和laser的xacro文件
<?xml version="1.0"?>
<robot name="arm" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro">
<xacro:include filename="$(find mbot_description)/urdf/xacro/gazebo/mbot_base_gazebo.xacro" /><!-- include 机器人底盘文件 mbot_base_gazebo.xacro -->
<xacro:include filename="$(find mbot_description)/urdf/xacro/sensors/lidar_gazebo.xacro" /><!-- include 传感器激光雷达文件 lidar_gazebo.xacro -->
<xacro:property name="lidar_offset_x" value="0" />
<xacro:property name="lidar_offset_y" value="0" />
<xacro:property name="lidar_offset_z" value="0.105" />
<!-- lidar -->
<joint name="lidar_joint" type="fixed"> <!-- 激光雷达joint连接方式 -->
<origin xyz="${lidar_offset_x} ${lidar_offset_y} ${lidar_offset_z}" rpy="0 0 0" />
<parent link="base_link"/>
<child link="laser_link"/>
</joint>
<xacro:rplidar prefix="laser"/> <!-- 激光雷达宏调用 -->
<mbot_base_gazebo/><!-- 机器人底盘宏调用 -->
</robot>编写带激光雷达的机器人launch文件
其它的都不动，只是改变机器人模型文件和仿真环境文件路径即可
<launch>
<!-- 设置launch文件的参数 -->
<arg name="world_name" value="$(find mbot_gazebo)/worlds/playground.world"/><!-- 设置仿真环境文件路径 -->
<arg name="paused" default="false"/>
<arg name="use_sim_time" default="true"/>
<arg name="gui" default="true"/>
<arg name="headless" default="false"/>
<arg name="debug" default="false"/>
<!-- 运行gazebo仿真环境 -->
<include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch">
<arg name="world_name" value="$(arg world_name)" />
<arg name="debug" value="$(arg debug)" />
<arg name="gui" value="$(arg gui)" />
<arg name="paused" value="$(arg paused)"/>
<arg name="use_sim_time" value="$(arg use_sim_time)"/>
<arg name="headless" value="$(arg headless)"/>
</include>
<!-- 加载机器人模型描述参数 -->
<param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro --inorder '$(find mbot_description)/urdf/xacro/gazebo/mbot_with_laser_gazebo.xacro'" /> <!-- 设置机器人模型文件路径 -->
<!-- 运行joint_state_publisher节点，发布机器人的关节状态 -->
<node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" ></node>
<!-- 运行robot_state_publisher节点，发布tf -->
<node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" output="screen" >
<param name="publish_frequency" type="double" value="50.0" />
</node>
<!-- 在gazebo中加载机器人模型-->
<node name="urdf_spawner" pkg="gazebo_ros" type="spawn_model" respawn="false" output="screen"
args="-urdf -model mrobot -param robot_description"/>
</launch>运行
运行launch文件
$ roslaunch mbot_gazebo view_mbot_with_laser_gazebo.launch
运行rviz 查看机器人 和 雷达信息
$ rosrun rviz rviz添加 add
机器人模型 RobotModel 选择坐标系 画面出现机器人
雷达信息 LaserScan 选择topic /scan出现雷达信息
雷达仿真完成
