ROS仿真机器人（安装、配置、测试、建图、定位、路径规划）（上）

作者 | 在梦里-119
编辑 | 3D视觉开发者社区

导读

本文利用ROS进行仿真机器人实验，从安装步骤开始讲解，一直到配置、测试、建图、定位与路径规划，每一步的操作过程都极尽详细，包括可能出现的问题以及对应的解决方案，可以称为保姆级别的教程了。由于文章篇幅过长，因此分为上下两篇，推荐开发者阅读。

01 ROS安装与配置

1.1 安装虚拟机软件

此前使用的虚拟机是 VMware Workstation 15 Pro，但是使用起来不是特别方便，比如基本操作主机复制的内容无法黏贴到客户机（ubuntu）中。于是本次实验使用了VirtualBox 6.1.18虚拟机。

1.2 虚拟一台主机

使用VirtualBox虚拟计算机的过程也不算复杂，只需要按照提示配置其相关参数即可，其各项参数设置如图1.2.1所示。

图1.2.1：VirtualBox虚拟主机

1.3 安装ubuntu

首先从官网下载 Ubuntu 的镜像文件，这里选择的版本是20.04.2.0，于是其对应安装的ros版本为Noetic Ninjemys(May 2020-May2025)：然后，配置虚拟主机，关联下载好的Ubuntu 镜像文件。

接下来对ubuntu进行优化，按照网上操作（安装虚拟机工具、启动文件交换模式）方便虚拟机与宿主机的文件交换。

1.4 在ubuntu中安装ROS机器人操作系统

1.4.1 配置ubuntu的软件和更新

配置ubuntu的软件和更新，允许安装不经认证的软件。首先打开“软件和更新”对话框，具体可以在 Ubuntu 搜索按钮中搜索。

打开后按照图1.4.1进行配置（确保勾选了"restricted"， “universe，” 和 “multiverse.”）

图1.4.1

1.4.2 设置安装源

使用国内清华大学安装源，这样安装速度更快，Ctrl+Ail+T打开终端输入命令：

sudo sh -c '. /etc/lsb-release && echo "deb http://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/ros/ubuntu/ `lsb_release -cs` main" > /etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list'

回车输入管理员密码，显示如图1.4.2下界面即成功发。

图1.4.2

1.4.3 设置key

如图1.4.3所示，输入：

sudo apt-key adv --keyserver 'hkp://keyserver.ubuntu.com:80' --recv-key C1CF6E31E6BADE8868B172B4F42ED6FBAB17C654

图1.4.3

1.4.4 安装

首先需要更新apt，apt 是用于从互联网仓库搜索、安装、升级、卸载软件或操作系统的工具。

在终端输入：sudo apt update，界面显示如图1.4.4所示：

图1.4.4

然后，再安装所需类型的 ROS:ROS 多个类型:Desktop-Full、Desktop、ROS-Base。这里介绍较为常用的Desktop-Full(官方推荐)安装: ROS, rqt, rviz, robot-generic libraries, 2D/3D simulators, navigation and 2D/3D perception

在终端输入：sudo apt install ros-noetic-desktop-full

出现如图1.4.5界面，输入Y回车。

图1.4.5

如图1.4.6所示的安装过程，经过漫长等待，直至安装成功。

图1.4.6

吃了个饭回来，发现如图1.4.7错误提示：

初步检测，应该是网络问题，于是直接重复调用更新与安装命令，最后成功。

1.4.5 安装构建依赖

在 noetic 最初发布时，和其他历史版本稍有差异的是:没有安装构建依赖这一步骤。随着 noetic 不断完善，官方补齐了这一操作。

首先安装构建依赖的相关工具，如图1.4.8所示，调用命令：

sudo apt install python3-rosdep python3-rosinstall python3-rosinstall-generator python3-wstool build-essential

回车输入密码，直至安装成功。

图1.4.8

ROS中使用许多工具前，要求需要初始化rosdep(可以安装系统依赖) – 上一步实现已经安装过了，如图1.4.9。

sudo apt install python3-rosdep

图1.4.9

初始化rosdep，输入命令：sudo rosdep init，显示如图1.4.10所示。

图1.4.10

rosdep update
出现图1.4.11所示的问题：网络超时

图1.4.11

在网上查找了以下几种方法解决上述问题，发现都不行：

(1)更改镜像源

(2)更改域名服务器

执行：sudo gedit /etc/resolv.conf

将原有的nameserver这一行注释，并添加以下两行：

nameserver 8.8.8.8 #google域名服务器

nameserver 8.8.4.4 #google域名服务器

保存退出，执行

sudo apt-get update

再执行

rosdep update

(3)添加网站上解析出来的IP，进行操作

最后参考一篇博主的方法：将相关资源备份到gitee,修改 rosdep 源码,重新定位资源。

步骤一：切换路径cd /usr/lib/python3/dist-packages/

步骤二：

查找rosdep中和raw.githubusercontent.com相关的内容，

调用命令:

find . -type f | xargs grep “raw.githubusercontent”，显示如图1.4.12.

图1.4.12

步骤三：找到如下四个文件：

./rosdistro/init.py、

./rosdep2/gbpdistro_support.py、

./rosdep2/sources_list.py 、

./rosdep2/rep3.py。、

可以使用sudo gedit命令修改文件中涉及的 URL 内容，如果是

:raw.githubusercontent.com/ros/rosdistro/master

都替换成：gitee.com/zhao-xuzuo/rosdistro/raw/master即可，这样就改变了资源路径。

步骤四：重新运行：

sudo rosdep init rosdep update，如图1.4.13所示。

就可以正常实现 rosdep 的初始化与更新了。

图1.4.13

1.5 配置环境变量

配置环境变量，方便在任意 终端中使用 ROS。
调用命令：echo “source /opt/ros/noetic/setup.bash” >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc，如图1.5所示。

图1.5

1.6 测试ROS

首先调用命令：roscore，显示如图1.6.1所示：

图1.6.1

其次添加新窗口并调用命令：rosrun turtlesim turtlesim_node(此时会弹出图形化界面，如图1.6.2所示)

图1.6.2

之后添加新窗口并调用命令：rosrun turtlesim turtle_teleop_key(在3中可以通过上下左右控制2中乌龟的运动)
最终结果如下所示，则测试成功

图1.6.3

02 机器人仿真模型与环境配置

引言-ROS机器人仿真实验几点说明
本实验使用编程软件：VScode，及界面显示如图2所示：

图2

2.1 构建差速移动机器人仿真模型

2.1.1 差速移动机器人（四轮圆柱状机器人）模型描述：

机器人参数如下,底盘为圆柱状，半径 10cm，高 8cm，四轮由两个驱动轮和两个万向支撑轮组成，两个驱动轮半径为 3.25cm,轮胎宽度1.5cm，两个万向轮为球状，半径 0.75cm，底盘离地间距为 1.5cm(与万向轮直径一致)，并添加雷达传感器

2.1.2 实现流程

（1）创作ROS工作空间并初始化

使用命令：

mkdir -p demo_18/src

cd demo_18

catkin_make

(2) 启动VScode

在demo_18目录下使用命令：code .

便可以开启VScode，接下来所有操作都在可视化的VScode上进行。

(3)创建 ROS 功能包

选定 src 右击 —> create catkin package

创建urdf01_rviz功能包，导入依赖包:urdf与xacro

(4)在当前功能包下，添加如下目录

urdf: 存储 urdf 文件的目录

config: 配置文件

launch: 存储 launch 启动文件

(5)编写URDF文件

这里可以使用URDF文件编写也可以使用XACRO文件编写小车模型文件，本人在此两种实现方法都用了，分别在urdf文件夹下，新建urdf用于编写urdf小车模型；新建xacro文件夹编写xacro小车模型，但是这里只讲解xacro文件编写的小车模型，这是因为urdf编写小车模型存在如下问题:

问题1:在设计关节的位置时，需要按照一定的公式计算，公式是固定的，但是在 URDF 中依赖于人工计算，存在不便，容易计算失误，且当某些参数发生改变时，还需要重新计算。

问题2:URDF 中的部分内容是高度重复的，驱动轮与支撑轮的设计实现，不同轮子只是部分参数不同，形状、颜色、翻转量都是一致的，在实际应用中，构建复杂的机器人模型时，更是易于出现高度重复的设计，按照一般的编程涉及到重复代码应该考虑封装。

(6)编写xacro文件用于构建小车模型

编写car_base.xacro用于构建小车底盘；

编写laser.xacro文件用于构建雷达；

编写car.xacro文件用于组合地盘与雷达。

(7)编写launch文件

编写car.launch文件，这里在launch文件中使用命令：

直接加载(6)中编写的小车模型xacro文件；

使用命令：启动rviz；

使用命令：

启动机器人状态和关节状态发布节点；

使用命令：

启动图形化的控制关节运动节点；

(8) 检查urdf01_rviz功能包文件

按上述步骤完成后，urdf01_rviz功能包含文件夹及文件如图2.1.1所示。

图2.1.1

(9) 运行编写好的car.launch文件
点击udf01_rviz功能包，右击–>点击在集成终端中打开，如图2.1.2所示。

图2.1.2

在打开的第一个终端输入：roscore命令，运行ros。接着点击加号，新建终端，输入命令：

source ./devel/setup.bash

roslaunch urdf01_rviz car.launch

接下来便会打开rviz窗口。

(10)在RVIZ中显示机器人模型

viz 启动后，会发现并没有盒装的机器人模型，这是因为默认情况下没有添加机器人显示组件，需要手动添加，在添加组件前，先设置Fixed Frame为base_footprint，也就是更改参考坐标系，结果如图2.1.2.

图2.1.2 bnm

添加机器人模型组件，如图2.1.3，点击Add，之后选择需要的组件，比如RobotModel，其余组件添加方式类似，之后类似操作不再赘述。之后便可以看到图2.1.的机器人模型。

图2.1.3

图2.1.4

(11)在RVIZ配置操作并调用

为了避免每一次啊都要进行更改坐标系与组件添加操作，可以在步骤(10)中，点击file–>save config as ,并将其保存到demo_18/src/urdf01_rviz/config下，命名为car.rviz。

之后修改car.launch下rviz启动命令为：

这样，下次打开rviz显示模型便不需要配置操作。

2.2 仿真环境搭建

2.2.1 仿真环境描述

仿真环境搭建比较简单，直接放置了给定圆柱体与正方体，因为自身电脑的原因，带动ros非常卡顿，所以对于仿真环境搭建比较简单。本人也尝试构建参考实例中的环境发现Gazebo无响应。

2.2.2 机器人模型显示在gazebo的实现流程

(1)在demo_18工作空间下，创建 ROS 功能包

创建urdf02_gazebo功能包，导入依赖包: urdf、xacro、gazebo_ros、gazebo_ros_control、gazebo_plugins

(2)在当前功能包下，添加如下目录

urdf: 存储 urdf 文件的目录

config: 存储rviz配置文件

launch: 存储 launch 启动文件

worlds: 保存地图文件

(3)编写封装惯性矩阵算法的 xacro 文件

在urdf下新建head.xacro文件，存放惯性矩阵算法。惯性矩阵的设置需要结合link的质量与外形参数动态生成，标准的球体、圆柱与立方体的惯性矩阵公式如下(已经封装为 xacro 实现):

球体惯性矩阵

圆柱惯性矩阵

立方体惯性矩阵

这里直接复制并保存。需要注意的是，原则上，除了base_footprint 外，机器人的每个刚体部分都需要设置惯性矩阵，且惯性矩阵必须经计算得出，如果随意定义刚体部分的惯性矩阵，那么可能会导致机器人在 Gazebo 中出现抖动，移动等现象。

(4)编写小车模型的xavro文件

直接从2.1下拷贝car.xacro、car_base.xacro、laser.xacro文件到urdf目录下,并且需要并设置 collision inertial 以及 color 等参数。具提程序参照附件，这里不对程序做详细介绍，附录程序有详细注释。

(5)编写launch文件

在launch文件夹下编写env.launch文件，这里在launch文件中使用命令：

使用命令：

将 Urdf 文件的内容加载到参数服务器；

使用命令：

启动 gazebo；

使用命令：

在 gazebo 中显示机器人模型；

(6)运行程序并在gazebo中查看

在终端下输入：roslaunch urdf02_gazebo env.launch命令，便可以启动gazebo，界面显示如图2.2.1。

图2.2.1

2.2.3 Gazebo仿真环境搭建

到目前为止，我们已经可以将机器人模型显示在 Gazebo 之中了，但是当前默认情况下，在 Gazebo 中机器人模型是在 empty world 中，并没有类似于房间、家具、道路、树木… 之类的仿真物。在Gazebo 中创建仿真实现方式有两种:

方式1: 直接添加内置组件创建仿真环境

方式2: 手动绘制仿真环境(更为灵活)

也还可以直接下载使用官方或第三方提高的仿真环境插件。

本实验采用方式1添加内置组件创建仿真环境，大家可能更倾向于方式2，这里因为本人电脑的原因，采用方式1，其具体步骤如下：

步骤一：启动 Gazebo 并添加组件

如图2.2.2红色框所示：

图2.2.2

步骤二：保存仿真环境
添加完毕后，选择 file —> Save World as 选择保存路径(功能包下: worlds 目录)，文件名自定义，后缀名设置为 .world

步骤三：启动仿真环境
这里只需要将上述的env.launch文件中的gazebo启动命令更改为：

这里我保存仿真环境文件为：box_house.world。

按照上述(6)步骤重新打开gazebo，便可得到如下图2.2.3所示的仿真环境。

图2.2.3

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