09 机器人仿真Gazebo实例

零、Gazebo

1. Gazebo是开源物理仿真环境

支持：
三维可视化环境
传感器仿真、噪声仿真
云仿真、远程仿真等功能

2. 安装对应版本的Gazebo

sudo apt-get install ros-noetic-gazebo-ros-pkgs
sudo apt-get install ros-noetic-gazebo-ros-control

3.进入Gazebo

roscore
rosrun gazebo_ros gazebo

一、建立URDF模型

1. URDF

Unified Robot Description Format 统一机器人描述格式

2. 标签

1. 声明使用xml描述

<?xml version="1.0" ?>

2. link用于描述一个刚体部件的外观和物理属性

<link>下属的<visual>用于描述外观
<visual>下属的<origin>声明三维坐标与旋转姿态 定义起点
<visual>下属的<geometry>用于描述几何形状
<geometry>下属的<cylinder>用于描述该几何的圆柱形状的半径和高
<visual>下属的<material>用于描述材质，如颜色等
<material>下属的<color>用于描述具体的RGBA值

    <link name="base_link">
        <visual>
            <orgin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
            <geometry>
                <cylinder length="0.005" radius="0.13"/>
            </geometry>
            <material name="yellow">
                <color rgba="1 0.4 0 1"/>
            </material>
        </visual>
    </link>

3. joint是用于连接两个刚体的关节

type用于描述关节的类型
fixed 固定关节
continuous 单轴旋转关节
<origin>定义了joint的起点
<parent>代表连接的一个刚体
<child>代表连接的另一个刚体
<axis>代表旋转轴

    <joint name="base_to_front_castor_joint" type="fixed">
        <origin xyz="0.1135 0 -0.0165" rpy="0 0 0"/>
        <parent link="base_link"/>
        <child link="front_castor_link"/>
        <axis xyz="0 1 0"/>
    </joint>

4. robot是link和joint标签的父标签

link和joint标签都包含在robot标签内
当换用.xacro格式后
此处需改为

5. gazebo标签

在每个link中存在，包含material属性，与中的material相同，只是方便gazebo使用

3. 建立功能包

catkin_create_pkg robot_description urdf xacro

建立下属文件夹：
urdf：存.urdf或.xacro文件
meshes：存引用的模型渲染文件
launch：存启动文件
config：存rviz配置

4. 创建urdf模型

<?xml version="1.0" ?>

<robot name="robot" >



    <link name="base_link">
        <visual>
            <orgin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
            <geometry>
                <cylinder length="0.005" radius="0.13"/>
            </geometry>
            <material name="yellow">
                <color rgba="1 0.4 0 1"/>
            </material>
        </visual>
    </link>



    <joint name="base_to_left_motor_joint" type="fixed">
        <origin xyz="-0.055 0.075 0" rpy="0 0 0"/>
        <parent link="base_link"/>
        <child link="left_motor_link"/>
    </joint>



    <link name="left_motor_link">
        <visual>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="1.5707 0 0"/>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.02" length="0.08"/>
            </geometry>
            <material name="gray">
                <color rgba="0.75 0.75 0.75 1"/>
            </material>
        </visual>
    </link>



    <joint name="left_wheel_joint" type="continuous">
        <origin xyz="0 0.0485 0" rpy="0 0 0"/>
        <parent link="left_motor_link"/>
        <child link="left_wheel_link"/>
    </joint>




    <link name="left_wheel_link">
        <visual>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="1.5707 0 0"/>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.033" length= "0.017"/>
            </geometry>
            <material name="white">
                <color rgba="1 1 1 0.9"/>
            </material>
        </visual>
    </link>



    <joint name="base_to_right_motor_joint" type="fixed">
        <origin xyz="-0.055 -0.075 0" rpy="0 0 0"/>
        <parent link="base_link"/>
        <child link="right_motor_link"/>
    </joint>



    <link name="right_motor_link">
        <visual>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="1.5707 0 0"/>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.02" length="0.08"/>
            </geometry>
            <material name="gray">
                <color rgba="0.75 0.75 0.75 1"/>
            </material>
        </visual>
    </link>



    <joint name="right_wheel_joint" type="continuous">
        <origin xyz="0 -0.0485 0" rpy="0 0 0"/>
        <parent link="right_motor_link"/>
        <child link="right_wheel_link"/>
    </joint>




    <link name="right_wheel_link">
        <visual>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="1.5707 0 0"/>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.033" length= "0.017"/>
            </geometry>
            <material name="white">
                <color rgba="1 1 1 0.9"/>
            </material>
        </visual>
    </link>

    <joint name="base_to_front_castor_joint" type="fixed">
        <origin xyz="0.1135 0 -0.0165" rpy="0 0 0"/>
        <parent link="base_link"/>
        <child link="front_castor_link"/>
        <axis xyz="0 1 0"/>
    </joint>

    <link name="front_castor_link">
        <visual>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="1.5707 0 0"/>
            <geometry>
                <sphere radius="0.0165"/>
            </geometry>
            <material name="black">
                <color rgba="0 0 0 0.95"/>
            </material>

        </visual>
    </link>

</robot>

5. 检查urdf

安装检查工具

sudo apt-get install liburdfdom-tools

执行检查

check_urdf robot.urdf

生成关系树pdf

urdf_to_graphiz  robot.urdf

6. 导入rviz检查3d模型

1. 创建launch文件

<launch>
    <param name="robot_description" textfile="$(find robot_description)/urdf/robot.urdf"/>


<!-- Set GUI Parameters, Show Joints Control Plugins -->
    <param name="use_gui" value="true"/>

<!-- Run joint_state_publisher Node, Pub Joints Statement of Robot -->
    <node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher"/>

<!-- Run robot_state_publisher Node,Pub TF Data-->
    <node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher"/>

<!-- Run RVIZ -->
    <node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz" args="-d $(find robot_description)/config/robot_urdf.rviz" required="true"/>

</launch>

注意需要先打开rviz加载机器人保存robot_urdf.rviz在config文件夹里以便launch文件调用

其他例子：

<launch>

    <arg name="model" default="$(find xacro)/xacro --inorder '$(find mrobot_description)/urdf/mrobot_with_camera.urdf.xacro'" />
    <arg name="gui" default="true" />

    <param name="robot_description" command="$(arg model)" />

    <!-- 设置GUI参数，显示关节控制插件 -->
    <param name="use_gui" value="$(arg gui)"/>

    <!-- 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" />

    <!-- 运行robot_state_publisher节点，发布tf  -->
    <node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" />

    <!-- 运行rviz可视化界面 -->
    <node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz" args="-d $(find mrobot_description)/config/mrobot.rviz" required="true" />

</launch>

2. 运行launch文件观察效果

7. 添加物理或碰撞模型（可选）

添加物理惯性和碰撞的属性
两者都是与同级的属性标签

            <inertial>
                <mass value="0.001" />
                <origin xyz="0 0 0" />
                <inertia ixx="0.0001" ixy="0.0" ixz="0.0"
                         iyy="0.0001" iyz="0.0"
                         izz="0.0001" />
            </inertial>

<collision>
                <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0 0 0" />
                <geometry>
                    <box size="0.01 0.01 0.07" />
                </geometry>
            </collision>

二、xacro：改进的urdf

.xacro是.urdf的优化版 便于阅读、复用、模块化

1.修改robot处的标签

当换用.xacro格式后
robot标签首处需改为

\<robot name="robot_name" xmlns:xacro="http:www.ros.org/wiki/xacro">

1. xacro可以定义常量，便于后期修改

\<xacro:property name="wheel_radius" value="0.033"/>
\<xacro:property name="M_PI" value="3.14159"/>

调用常量的方法：
${}可以接调用的常量，在${}里面可以有数学式子做加减乘除
推荐把部件内部的各组件关系都用加减乘除来表示，这样只需要修改常量值即可适配整个文件

\<origin xyz="0 0 0" rpy="${M_PI/2} 0 0"/>

2. xacro可以使用宏定义

宏（英语：Macro）是一种批量处理的称谓。
计算机科学里的宏是一种抽象（Abstraction），它根据一系列预定义的规则替换一定的文本模式。解释器或编译器在遇到宏时会自动进行这一模式替换。
宏定义，可近似看做编程里的“函数”概念，方便复用

注意：当没有调用该宏定义的时候，它不会出现在转化出的urdf文件里

<xacro:macro name="mrobot_standoff_2in" params="parent number x_loc y_loc z_loc">
        <joint name="standoff_2in_${number}_joint" type="fixed">
            <origin xyz="${x_loc} ${y_loc} ${z_loc}" rpy="0 0 0" />
            <parent link="${parent}"/>
            <child link="standoff_2in_${number}_link" />
        </joint>

        <link name="standoff_2in_${number}_link">
            <inertial>
                <mass value="0.001" />
                <origin xyz="0 0 0" />
                <inertia ixx="0.0001" ixy="0.0" ixz="0.0"
                         iyy="0.0001" iyz="0.0"
                         izz="0.0001" />
            </inertial>

            <visual>
                <origin xyz=" 0 0 0 " rpy="0 0 0" />
                <geometry>
                    <box size="0.01 0.01 0.07" />
                </geometry>
                <material name="black">
                    <color rgba="0.16 0.17 0.15 0.9"/>
                </material>
            </visual>

            <collision>
                <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0 0 0" />
                <geometry>
                    <box size="0.01 0.01 0.07" />
                </geometry>
            </collision>
        </link>
    </xacro:macro>

调用宏（macro）:

<xacro:macro_name parameter1 parameter2 parameter_and_so_on/>

例子：

<xacro:triangle_board_macro parent="base_link" number="6" x_location="standoff_x/2"  y_location="standoff_y"  z_location="Height/2"/>

为宏设置默认参数（忽视此部分，存在错误）

<xacro:macro name="kinect_camera" params="param_name:=defalut_value">
    <link name="${param_name}_link">
    <!-- and so on -->

3. 引用xacro

在xacro总文件里引用并调用其他机器人部件的.xacro文件
可以达到模块化开发，逻辑清晰的目的，当增删组件时，只需要修改总.xacro文件就可以了
先将部件的.xacro文件include

<xacro:include filename="$(find mrobot_description)/urdf/mrobot_body.urdf.xacro" />

|调用mrobot_body这个组件
mrobot_body是在body这个分部件.xacro文件下的一个xacro:macro宏定义，它不需要输入参数，而且构造了整个body，在body分部件的.xacro文件下还有其他的xacro:macro宏定义，他们是mrobot_body这个宏定义的嵌套小宏定义，因此在总.xacro文件下直接调用就可以填入整个body的数据

   <!-- 引用这个.xacro文件 即编程概念里的include某个函数库 -->
    <xacro:include filename="$(find mrobot_description)/urdf/mrobot_body.urdf.xacro" />

    <!-- 调用mrobot_body这个宏定义-->
    <xacro:mrobot_body/>

4.将xacro转化成urdf

rosrun xacro xacro filename.xacro > filename.urdf

可能出现的情况：xacro转urdf为空
解释：古月居及网上一些教程有错误，没有在调用宏定义的时候给予xacro:macro_name
因此xacro转换器无法识别这条命令，解决方法如下：
注意：当没有调用该宏定义的时候，它不会出现在转化出的urdf文件里
就像是编程里的函数，如果不调用，就不会生效

<xacro:function_name param1="xxxx" param2="xxxxxx" and_so_on="xxx"/>

5.在launch文件中转化xacro为urdf直接使用

<arg name="mode" default="$(find xacro)/xacro '$(find robot_description)/urdf/robot.urdf.xacro' "/>
<param name="robot_description" command="$(arg model)"/>

三、ROS_control

1.框架结构

ROS_control的框架结构为
1.Controller Manager 控制器管理器
使用通用接口用于管理各个控制器
2.Controller 控制器
控制joint 读取硬件资源接口状态 发布控制指令 提供pid控制器
3.Hardware Resource Interface Layer 硬件资源接口层
为上下两层提供硬件资源的接口
4.RobotHW 抽象硬件
接触硬件资源，通过Read和Write完成硬件操作
5.Real Robot 真实机器人
真实的控制器、执行器

2.运行工具controller_manager

1.controller_manager

rosrun controller_manager controller_manager command controller_name

commands：
load unload start stop spawn(加载并启动控制器) kill(停止并卸载控制器)
list 列出所有控制器，并显示其状态
list-types等

2.spawner/unspawner

controller_manager包下也存在可以一次性加载多个控制器的命令
如果需要加载并启动，可以去掉–stopped

rosrun controller_manager spawner --stopped name1 name2 name3

一次性停止但不卸载

rosrun controller_manager unspawner name1 name2 name3

3.在launch文件中使用controller_manager

参数–stopped为可选项 添加后可仅加载不启动

<launch>
<node pkg="controller_manager" type="spawner" args="--stopped controller_name1 controller_name2 controller_name3"/>
</launch>

四、为模型添加 属性标签

1.

每个link都需要添加标签，包含属性仅有material
因为gazebo不支持的material，需要单独设置，否则默认为灰白
在link中添加：

<gazebo reference="link_name">
    <material>Gazebo/Black</material>
</gazebo>

referrence若不添加，则默认作用在标签上

2.

传动装置可以用来表示驱动机器人运动的动力源
actuator 执行器
joint为要绑定驱动器的joint，是提供动力的原件
type为使用的传动类型
hardwareInterface定义硬件接口类型

<transmission name="wheel_joint_trans">
    <type>transmission_interface/SimpleTransmission</type>
    <joint name="base_to_wheel_joint"/>
    <actuator name="wheel_joint_motor">
        <hardwareInterface>VelocityJointInterface</hardwareInterface>
        <mechanicalReduction>1<mechanicalReduction>
    </actuator>
</transmission>

五、添加gazebo控制器插件

1. 为添加gazebo插件

<gazebo>
    <plugin name="unique_name" filename="plugin_name.so">
    <!-- more plugin parameters -->
    </plugin>
</gazebo>

2. 为或者添加gazebo插件

<gazebo reference="link_or_joint_name">
    <plugin name="unique_name" filename="plugin_name.so">
    <!-- more plugin parameters -->
    </plugin>
</gazebo>

gazebo默认的插件存放位置为/opt/ros/noetic/lib，形式为libgazeboXXXX.so

0000

安装ROS自带的导航包

move-base在包中

sudo apt-get install ros-noetic-navigation