ROS——Gazebo仿真——四轮小车（SmartCar）详细教程——urdf文件详解

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1. Link元素结构

  link元素描述了具有惯性，视觉特征和碰撞特性的刚体。简单的link文件如下所示

 <link name="my_link">
   <inertial>
     <origin xyz="0 0 0.5" rpy="0 0 0"/>
     <mass value="1"/>
     <inertia ixx="100"  ixy="0"  ixz="0" iyy="100" iyz="0" izz="100" />
   </inertial>

   <visual>
     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
     <geometry>
       <box size="1 1 1" />
     </geometry>
     <material name="Cyan">
       <color rgba="0 1.0 1.0 1.0"/>
     </material>
   </visual>

   <collision>
     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
     <geometry>
       <cylinder radius="1" length="0.5"/>
     </geometry>
   </collision>
 </link>

  上述代码对应的结构图如下，在其中定义了惯性、视觉、碰撞特性，通常一个joint连接两个link。

2. link详细属性解析

• name (必选)
  link自己的名字，自己任意指定，在这里名字为my_link。

• inertial(可选元素)

  • origin（可选：如果未指定，则默认为identity）
    这是惯性参考系相对于链路参考系的姿态。惯性参考系的原点需要位于重心处。惯性参考系的轴不需要与惯性的主轴对齐。
    xyz（可选：默认为零向量）
    表示 $x$，$y$，$z$ 偏移量。
    rpy（可选：如果未指定，则默认为identity）
    表示以弧度表示的固定轴滚动，俯仰和偏航角度。
  • mass
    链接的质量由此元素的value属性表示
  • inertia
    3x3转动惯量矩阵，以惯性框架表示。因为转动惯量矩阵是对称的，所以这里使用属性ixx，ixy，ixz，iyy，iyz，izz仅指定该矩阵的6个以上对角线元素。

• visual (可选元素)
    link的可视属性。此元素指定对象的形状（例如：立方体(box)，圆柱(cylinder)等）以用于可视化目的。注意：同一链接可以存在多个visual标记实例。个人感觉该属性是必选属性，要想在仿真软件里看到该模型，就必须设置该属性。

  • name
      指定链接几何的一部分的名称。不常用属性。

  • origin (optional: defaults to identity if not specified)
    The reference frame of the visual element with respect to the reference frame of the link.
    xyz（可选：默认为零向量）
    表示$x$，$y$，$z$偏移量。
    rpy（可选：如果未指定，则默认为identity）
    表示以弧度表示的固定轴滚动，俯仰和偏航角度。

  • geometry (必选)

    视觉对象的形状。这可以是以下之一：

    • box (立方体)
      size属性包含框的三个边长。立方体的原点在它的中心。
    • cylinder (圆柱)
      指定半径和长度。圆柱的原点位于其中心，原点如图所示，其他立方体的原点类似。
    • sphere (球)
      指定半径。球体的原点位于其中心。
    • mesh
      当想添加更为复杂的模型时，可以通过.stl等mesh文件导入模型。

• material（可选）
  视觉元素的材料。允许在顶层’robot’元素中指定’link’对象之外的材质元素。然后，您可以在链接元素中按名称引用材料。

  • name
    材料的名称
  • color（可选）
    rgba由四个数字组成的材料颜色，表示红色/绿色/蓝色/ alpha，每个数字的范围为[0,1]。alpha即色彩空间，也就是透明度/不透明度。
  • texture（可选）
    材质的纹理由文件名指定。

• collision（可选）

    链接的碰撞属性。请注意，这可能与链接的可视属性不同，例如，通常使用更简单的碰撞模型来减少计算时间。注意：同一链接可以存在多个collision标记实例。它们定义的几何的联合形成了链接的碰撞表示。该属性主要是在模拟时模型会与其他模型发生碰撞，不设置该属性的话会出现两个模型相互穿过的情况，设置该属性后在geometry设定的形状内两个模型会发生碰撞。

  • name（可选）
    指定链接几何的一部分的名称。这对于能够引用链接几何的特定位是有用的。

  • origin（可选：如果未指定，则默认为identity）
    碰撞元素的参考系相对于链接的参考系。
    xyz（可选：默认为零向量）
    表示$x$，$y$，$z$偏移量。
    rpy（可选：如果未指定，则默认为identity）
    表示以弧度表示的固定轴滚动，俯仰和偏航角度。

  • geometry
    请参阅上述可视元素中的几何描述。

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3. joint元素结构

  joint元素描述了机器人关节的运动学和动力学，并且指定了关节的安全限制。

下面是一个使用joint元素的例子:

<joint name="my_joint" type="floating">
    <origin xyz="0 0 1" rpy="0 0 3.1416"/>
    <parent link="link1"/>
    <child link="link2"/>

    <calibration rising="0.0"/>
    <dynamics damping="0.0" friction="0.0"/>
    <limit effort="30" velocity="1.0" lower="-2.2" upper="0.7" />
    <safety_controller k_velocity="10" k_position="15" soft_lower_limit="-2.0" soft_upper_limit="0.5" />
 </joint>

上述代码对应的结构图如下，在其中定义了父link、子link以及两者之间的链接状态。

4. Joint详细属性解析

joint元素中拥有两个属性:

• name (必选)
  指定joint的名字(唯一的)

• type (必选)
  指定joint的类型，有下列选项:

  • revolute - 可以绕着一个轴旋转的铰链关节，有最大值和最小值限制。
  • continuous - 连续型的铰链关节，可以绕一个轴旋转，没有最大值和最小值限制。
  • prismatic - 滑动关节，可以沿着一个轴滑动，有最大值和最小值限制。
  • fixed - 这不是一个实际的关节，因为它无法运动，所有的自由度都被锁定。这种类型的关节不需要指定轴、动力学特征、标度和最大值最小值限制。
  • floating - 这是一个具有6个自由度的关节。
  • planar - 此关节在一个平面内运动，垂线是运动轴。

• origin (optional: defaults to identity if not specified)
  从parent link到child link的变换，joint位于child link的原点，具体如图所示。

  • xyz (optional: defaults to zero vector)
    代表$x$,$y$,$z$ 轴方向上的偏移，单位米。
  • rpy (optional: defaults 'to zero vector 'if not specified)
    代表绕着固定轴旋转的角度：roll绕着x轴,pitch绕着y轴，yaw绕着z轴，用弧度表示。

• parent (必选)
  parent link的名字是一个强制的属性，是这个link在机器人结构树中的名字。 可以理解为parent是主题，child是固定在主体上的配件。

• child> (必选)
  child link的名字是一个强制的属性，是这个link在机器人结构树中的名字。

• axis (可选: defaults to (1,0,0))
  joint的axis轴在joint的坐标系中。这是revolute joint旋转的轴，prismatic joint移动的轴，是planar joint的标准平面。这个轴在joint坐标系中被指定。fixed和floating类型的joint不需要用到这个字段。

  • xyz (required)
    代表轴向量的 $x$,$y$,$z$ 分量，这应该是一个标准化的向量。

• calibration (可选)
  joint的参考点，用来矫正joint的绝对位置。

• rising (可选)
  当joint正向运动时，参考点会触发一个上升沿。

• falling (可选)
  当joint正向运动时，参考点会触发一个下降沿。

• dynamics (可选)
  该元素用来指定joint的物理性能。它的值被用来描述joint的建模性能，尤其是在仿真的时候。

  • damping (可选, defaults to 0)
    joint的阻尼值。(移动关节为$\frac{N\cdot s}{m}$，旋转关节为$\frac{N\cdot m\cdot s}{rad}$
  • friction (可选, defaults to 0)
    joint的摩擦力值(移动关节为$N$, 旋转关节为$N\cdot m$).

• limit (只有 type 为 revolute and prismatic 时必选)
  该元素包含以下属性:

  • lower (可选, defaults to 0)
    指定joint运动范围下界的属性(revolute joint的单位为弧度，prismatic joint的单位为米)，连续型的joint忽略该属性。
  • upper (可选, defaults to 0)
    指定joint运动范围上界的属性(revolute joint的单位为弧度，prismatic joint的单位为米)，连续型的joint忽略该属性。
  • effort (必选)
    该属性指定了joint运行时的最大的力。 ($|$applied effort$|<|$effort$|$)。 详见安全限制
  • velocity (必选)
    该属性指定了joint运行时的最大的速度。 详见安全限制

• mimic (可选) (New with ROS Groovy. See issue)
  这个标签用于指定已定义的joint来模仿已存在的joint。这个joint的值可以用以下公式计算 value = multiplier * other_joint_value + offset. 有如下可选的属性: joint (required)
  需要模仿的joint的名字。

  • multiplier (可选)
    指定上述公式中的乘数因子。
  • offset (可选)
    指定上述公式中的偏移项。默认值为0(revolute joint的单位为弧度，prismatic joint的单位为米)。

• safety_controller (可选)
  该元素包含下列属性:

  • soft_lower_limit (可选, defaults to 0)
    该属性指定了joint安全控制边界的下界，是joint安全控制的起始限制点。这个值需要大于上述的limit中的lower值。 更多细节 详见安全限制。
  • soft_upper_limit (可选, defaults to 0)
    该属性指定了joint安全控制边界的上界，是joint安全控制的起始限制点。这个值需要小于上述的limit中的upper值。 更多细节 详见安全限制。
  • k_position (可选, defaults to 0)
    本属性用于说明位置和速度之间的关系。 更多细节 详见安全限制。
  • k_velocity (必选)
    本属性用于说明力和速度之间的关系。 更多细节 详见安全限制。

5. SmartCar——urdf

下载相关文件点击这里
下面对小车的urdf进行详细的介绍。

<?xml version="1.0"?> 
<robot name="smartcar">
    <link name="base_link"> <!-- 定义最基本的link作为小车的车体，其他link通过jiont固定在该link上 -->
        <visual> <!-- 视觉信息 -->
            <geometry> 
                <box size="0.25 .16 .05"/> <!-- 选择0.25cm x 0.16cm x 0.05cm 的立方体作为小车车体 -->
            </geometry>

            <origin rpy="0 0 1.57075" xyz="0 0 0"/> <!-- 车体绕着z轴旋转90度 -->

            <material name="blue">
                <color rgba="0 .5 .8 1"/>
            </material>
        </visual>
    </link>

为更直观的看 的作用，在rviz中显示如下图

将其改为 后，在rviz中显示如下图

明显可以看出图中只有车体绕着z轴转动了90度，轮子等其他部分没有变动。

  右前轮的link定义如下，至于为什么右前轮没有进行转动，因为在其后的定义的right_front_wheel_joint中将其旋转链接在base_link上。

    <link name="right_front_wheel">  
        <visual>  
            <geometry>  
                <cylinder length=".02" radius="0.025"/>  
            </geometry>  

            <material name="black">  
                <color rgba="0 0 0 1"/>  
            </material>  
        </visual>  
    </link>  

下面是连接车体和右前轮的joint，名字为right_front_wheel_joint

    <joint name="right_front_wheel_joint" type="continuous">  <!-- 类型为continuous，连续型的铰链关节，可以绕一个轴旋转，没有最大值和最小值限制 -->
        <axis xyz="0 0 1"/>  <!-- 设置z轴为旋转轴 -->
        <parent link="base_link"/>  <!-- 其父link为base_link，即车体 -->
        <child link="right_front_wheel"/>  <!-- 子link为右前轮，将其固定在车体上 -->
        <origin rpy="0 1.57075 0" xyz="0.08 0.1 -0.03"/>  <!-- 由于轮子初始状态为圆柱，像本章第二张图所示，因此需要将其绕着y轴旋转90度 -->
        <limit effort="100" velocity="100"/>  <!-- 转动时最大力为100，最大速度也为100 -->
        <joint_properties damping="0.0" friction="0.0"/>  <!-- 设置阻尼值和摩擦力均为0 -->
    </joint>  

下面为其他轮子的定义，以及与车体的link，不再做详细解释，跟上面的类同。

    <link name="right_back_wheel">  
    <visual>  
        <geometry>  
        <cylinder length=".02" radius="0.025"/>  
        </geometry>  
        <material name="black">  
        <color rgba="0 0 0 1"/>  
        </material>  
    </visual>  
    </link>  
    
    <joint name="right_back_wheel_joint" type="continuous">  
        <axis xyz="0 0 1"/>  
        <parent link="base_link"/>  
        <child link="right_back_wheel"/>  
        <origin rpy="0 1.57075 0" xyz="0.08 -0.1 -0.03"/>  
        <limit effort="100" velocity="100"/>  
        <joint_properties damping="0.0" friction="0.0"/>  
    </joint>  
    
    <link name="left_front_wheel">  
        <visual>  
            <geometry>  
                <cylinder length=".02" radius="0.025"/>  
            </geometry>  
            <material name="black">  
                <color rgba="0 0 0 1"/>  
            </material>  
        </visual>  
    </link>  
    
    <joint name="left_front_wheel_joint" type="continuous">  
        <axis xyz="0 0 1"/>  
        <parent link="base_link"/>  
        <child link="left_front_wheel"/>  
        <origin rpy="0 1.57075 0" xyz="-0.08 0.1 -0.03"/>  
        <limit effort="100" velocity="100"/>  
        <joint_properties damping="0.0" friction="0.0"/>  
    </joint>  
    
    <link name="left_back_wheel">  
        <visual>  
            <geometry>  
                <cylinder length=".02" radius="0.025"/>  
            </geometry>  
            <material name="black">  
                <color rgba="0 0 0 1"/>  
            </material>  
        </visual>  
    </link>  
    
    <joint name="left_back_wheel_joint" type="continuous">  
        <axis xyz="0 0 1"/>  
        <parent link="base_link"/>  
        <child link="left_back_wheel"/>  
        <origin rpy="0 1.57075 0" xyz="-0.08 -0.1 -0.03"/>  
        <limit effort="100" velocity="100"/>  
        <joint_properties damping="0.0" friction="0.0"/>  
    </joint>  
    
    <link name="head">  
        <visual>  
            <geometry>  
                <box size=".02 .03 .03"/>  
            </geometry>  
            <material name="white">
                <color rgba="1 1 1 1"/>  
            </material>  
        </visual>  
    </link>  
    
    <joint name="tobox" type="fixed">  
        <parent link="base_link"/>  
        <child link="head"/>  
        <origin xyz="0 0.08 0.025"/>  
    </joint>  
</robot>

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参考文献

urdf官方教程
link官方教程
joint官方教程