【Gazebo入门教程】第一讲 Gazebo的安装、UI界面、SDF文件介绍

【Gazebo入门教程】第一讲 Gazebo的安装、UI界面、SDF文件介绍

一、Gazebo的简介与安装

1. 基本介绍

• 概念：Gazebo是一款3D动态模拟器，能够在复杂的室内和室外环境中准确有效地模拟机器人群。与游戏引擎提供高保真度的视觉模拟类似，Gazebo提供高保真度的物理模拟，其提供一整套传感器模型，以及对用户和程序非常友好的交互方式。

• 基本应用：

1. 测试机器人算法
2. 设计机器人
3. 用显示场景进行回归测试

• 基本特点：

1. 包含多个物理引擎
2. 包含丰富的机器人模型和环境库
3. 包含多样的传感器
4. 程序设计便捷，图形界面UI合理

2. 性能要求与安装

• 操作系统要求：Ubuntu或者其他Linux发行版
• 其余要求：

1. GPU：Nvidia显卡配置，当然在场景简单时，可以只使用CPU；
2. CPU：至少是intel I5及以上的产品；
3. 内存：至少500MB的磁盘空间，这里建议尽量大，8G+即可；

• 安装流程：

1. 添加源

sudo sh -c 'echo "deb  http://packages.osrfoundation.org/gazebo/ubuntu-stable `lsb_release -cs` main" > /etc/apt/sources.list.d/gazebo-stable.list'
wget http://packages.osrfoundation.org/gazebo.key -O - | sudo apt-key add -

2. 安装

sudo apt-get update
sudo apt-get install gazebo11
sudo apt-get install libgazebo11-dev

二、GUI界面详解

• 启动Gazebo：alt + F2，后输入gazebo即可；当然也可以通过图形化标签搜索找到并固定到任务栏，基本界面如下

1. 场景(Scene)

• 介绍：场景是模拟器的主要部分，用于显示仿真模型，操作仿真对象与环境进行交互

2. 左右面板(Panels)简介、

• 介绍：

1. 左面板：
   \qquad 1）WORLD：“世界”选项卡，显示当前在场景中的模型，并允许你查看和修改模型参数，例如它们的姿势。你还可以通过展开“GUI”选项并调整相机姿势来更改摄像机视角。
   \qquad 2）INSERT：“插入”选项卡，向模拟添加新对象（模型）。要查看模型列表，您可能需要单击箭头以展开文件夹。在要插入的模型上单击（和释放），然后在场景中再次单击以添加它。
   \qquad 3）LAYERS：“图层”选项卡可组织和显示模拟中可用的不同可视化组（如果有）。图层可以包含一个或多个模型。打开或关闭图层将显示或隐藏该图层中的模型。大多数情况下都是空的，现在可以无视掉
2. 右面板：
   \qquad 默认情况下Gazeb界面隐藏右侧面板。单击并拖动栏以将其打开。右侧面板可用于与所选模型（joint）的移动部件进行交互。如果未在场景中选择任何模型，则面板不会显示任何信息。

3. 上下工具栏(Toolbars)与菜单栏(menu)

• 顶部工具栏：包含与模拟器交互时的选项，具体介绍如下

1. 选择模型（Select mode）：在场景中做标注；
2. 转换模式（Translate mode）：选择要移动的模型，可以沿x轴，y轴，z轴，或任意方向移动模型；
3. 旋转模式（Rotate mode）：选择要旋转的模型，可以沿x轴，y轴，z轴进行旋转模型；
4. 缩放模式（Scale mode）：选择要缩放的模型，可以沿x轴，y轴，z轴进行缩小或放大模型；
5. 撤消/重做（Undo/Redo）：撤消/重做场景中的操作；
6. 简单物体（Simple shapes）：放置一个长方体/球体/圆柱体
7. 灯光（Lights）：将灯光添加到场景，点光源 (球状点光源)/聚光灯 (从上而下，金字塔状向下照射)/方向性光源 (平行光)；
8. 复制/粘贴（Copy/Paste）：复制/粘贴场景中的模型；
9. 对齐（Align）：将模型彼此对齐；
10. 捕捉（Snap）：将一个模型捕捉到另一个模型；
11. 更改视图（Change view）：从不同角度查看场景。

• 底部工具栏：显示仿真有关数据，具体如下

1. 播放/暂停：根据你的程序，运行仿真或暂停
2. 以步长播放：按照规定的时长，一步一步运行仿真，默认步长1ms
3. 实时因子：模拟时间与真实时间的比率，1代表实时模拟
4. 仿真时间（Simulation time）：当仿真运行时，时间在仿真环境中过得有多快。仿真可以比真实时间慢或快，具体取决于运行仿真所需的计算量；
5. 真实时间（Real time）：在仿真环境中运行时实际经过的时间。仿真时间和真实时间的比率称为实时因子。
6. 迭代次数：世界状态每迭代一次就更新一次。您可以在底部工具栏的右侧看到迭代次数。每次迭代都会将仿真推进一个固定的秒数，称为步长。

• 菜单栏：像大多数应用程序一样，gazebo顶部有一个应用程序菜单。某些菜单选项会显示工具栏中。在场景中，右键单击上下文菜单选项，可查看各种菜单。注意：有些Linux桌面会隐藏应用程序菜单。如果看不到菜单，请将光标移到应用程序窗口的顶部，菜单就会出现。

4. 鼠标（Mouse Controls）

• 介绍：具体使用方法上图已有详述，包含在场景中导航和更改视角的基本鼠标操作。右键单击模型将打开一个包含各种选项的上下文菜单。

三、URDF与SDF文件

1. URDF介绍

• URDF文件：统一机器人描述格式（urdf）是ROS用于描述机器人的所有元素的XML文件格式，具体研究可见博客URDF文件建立运动学模型教程

• 存在的缺点：

1. 在gazebo中使用urdf文件，必须添加一些特定用于仿真的标签才能与gazebo一起正常使用;
2. 缺少许多功能，并且尚未进行更新以应对机器人技术的不断发展的需求。urdf只能单独指定单个机器人的运动学和动力学特性，无法指定世界中机器人本身的姿势;
3. 不是通用的描述格式，因为它不能指定关节环（平行连接），并且缺乏摩擦和其他特性;
4. 不能指定非机器人，例如灯光，高度图等;
5. 语法大量使用XML属性破坏了正确的格式设置，这反过来又使urdf更加不灵活。

2. SDF介绍

• SDF文件：仿真描述格式(sdf)，是从世界级到机器人级的所有内容的完整描述，能够描述机器人、静态和动态物体、照明、地形甚至物理学的各方面的信息。

• 优点/对URDF的优化：

1. 可以精确描述机器人的各类性质，除了传统的运动学特性之外，还可以为机器人定义传感器、表面属性、纹理、关节摩擦等；
2. 提供了定义各种环境的方法。包括环境光照、地形等;
3. 使用XML格式进行描述,能够更好的描述真实的模拟条件;

• 选用要求：

1. 必须使用URDF文件：
   \qquad 1）要使用rviz进行可视化操作、要尽快做出仿真用以演示效果；
   \qquad 2）使用Solidworks建模，想方便地导出ROS三维模型。
2. 必须使用SDF文件：
   \qquad 1）研究并联机器人，或机器人中存在封闭链结构；
   \qquad 2）想深入研究ROS-gazebo仿真，使仿真的动力学特性更加真实；想开发自己专用的Gazebo仿真插件。

3. 相互转换

注意：此处的转换方式存在一定固有问题，最好还是直接安装格式书写，避免发生转换；

• URDF转为SDF：

1. 常规方法：将URDF加载到Gazebo，另存为一个单独的world文件，sdf格式的模型就完整地保存在*.world文件的元素下；
2. 命令行方法：在URDF文件目录下开启终端，输入命令

	gz sdf -p my_model.urdf > my_model.sdf

• SDF转为URDF：pysdf功能包（非官方开发工具）

1. 下载功能包，置于工作空间src目录下，链接：https://link.zhihu.com/?target=https%3A//github.com/chenjm1109/pysdf
2. 编译工作空间：

$ cd ~/catkin_ws/
$ catkin_make

3. 在模型文件目录下打开终端：

$ rosrun pysdf sdf2urdf.py my_model.sdf result_model.urdf

注意：此方法是相关大佬自行研发而得，存在一定限制性，解决办法如下：

1. sdf2urdf.py是python可执行文件，如果报错[rosrun] Couldn’t find executable named sdf2urdf below…，就需要先通过chmod +x *指令为其赋予可执行权限，这是使用所有ROS-python可执行文件时都要注意的事情。
2. sdf文件中不要有插件，也不要有ball关节等urdf无法识别的关节类型。
3. 转换完成后可使用check_urdf工具检查urdf的合法性，命令如下：

   $ sudo apt-get install liburdfdom-tools$ check_urdf result_model.rudf

总结

• 内容分析：本篇博客主要介绍了Gazebo仿真软件的基本功能、应用方法，并分别详细地讲述了Gazebo的安装方法、GUI界面详解，最后对URDF文件和SDF文件进行了对比介绍，并给出了相互转换的方法，下篇博客将会以模型编辑器为主，介绍如何使用Gazebo的图形化界面生成机器人模型并进行仿真，敬请期待。

• 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