ROS | URDF模型—阿克曼（Ackermann）四轮小车模型

Github链接： https://github.com/chanchanchan97/ROS

1. 模型描述

本项目的目的是创建一个基于阿克曼转向机构（Ackermann steering）的简易四轮小车模型，该模型采用后轮双驱，而前轮在设计时选择独立转向，之后通过算法对两个前轮单独控制，模拟阿克曼转向模型。车体以简单的立方体来表示，并且在前端创建一个小立方体表示摄像头。

2. URDF文件

URDF全称为Unified Robot Description Format（统一机器人描述格式），是一种基于XML规范、用于描述机器人结构的格式。
从机构学角度讲，机器人通常被建模为由连杆（link）和关节（joint）组成的结构。连杆（link）是带有质量属性的刚体，而关节（joint）是连接、限制两个刚体相对运动的结构。通过关节将连杆依次连接起来，就构成了一个个运动链（也就是这里所定义的机器人模型）。URDF文件即描述了这样的一系列关节与连杆的相对关系、惯性属性、几何特点和碰撞模型，简单来说包含了机器人模型的运动学与动力学描述、机器人的几何表示、机器人的碰撞模型。

3. link元素

link元素描述了具有惯性，视觉特征和碰撞特性的刚体。以小车主体部分为例，创建如下的URDF文件内容。

4. link属性详解

(1) name (必选)
link的名字，可以任意指定，在这里名字为base_link。
(2) inertial (可选)

• 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：如果未指定，默认为零向量)
    表示link刚体的重心位置分别在x轴，y轴，z轴方向上的偏移量。
  • rpy (可选：如果未指定，则默认为identity)
    以弧度表示固定轴的滚动，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指定该矩阵的6个以上对角线元素。

(3) visual (可选)
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(link)可以存在多个visual标记实例。

• name
  指定链接(link)几何的一部分的名称。不常用属性。
• 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：如果未指定，默认为零向量)
    表示link刚体的重心位置分别在x轴，y轴，z轴方向上的偏移量，单位米。
  • rpy (可选：如果未指定，则默认为identity)
    以弧度表示的固定轴滚动，俯仰和偏航角度。
• geometry (必选)
  • 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。
  • 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，分别表示红色/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。

(4) collision (可选)
链接(link)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：如果未指定，默认为零向量)
    表示link刚体的重心位置分别在x轴，y轴，z轴方向上的偏移量，单位米。
  • rpy (可选：如果未指定，则默认为identity)
    以弧度表示的固定轴滚动roll，俯仰pitch和偏航yaw角度。
• geometry
  请参阅上述可视元素中的几何描述。

5. joint元素

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。以小车左后轮的关节为例，创建如下的URDF文件内容。

6. joint属性详解

(1) name (必选)
指定joint的名字(唯一的)
(2) 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 (可选：如果未指定，则默认为identity)
  从parent link到child link的变换，joint位于child link的原点，具体如图所示。

  • xyz (可选：如果未指定，默认为零向量)
    表示link刚体的重心位置分别在x轴，y轴，z轴方向上的偏移量，单位米。
  • rpy (可选：如果未指定，则默认为identity)
    以弧度表示的固定轴滚动，俯仰和偏航角度。

• 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: 默认为(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 (必选)
  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，默认为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，默认为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，默认为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，默认为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|。

• velocity (必选)
  该属性指定了joint运行时的最大的速度。

• 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的值可以用公式计算 value = multiplier * other_joint_value + offset. 有如下可选的属性：

  • joint (必选)
    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，默认为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。
  • soft_upper_limit (可选，默认为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。
  • k_position (可选，默认为0)
    本属性用于说明位置和速度之间的关系。
  • k_velocity (必选)
    本属性用于说明力和速度之间的关系。

7. Rviz可视化

Rviz是ROS官方提供的一款3D可视化工具，几乎我们需要用到的所有机器人相关数据都可以在Rviz中展现，但是不能模拟碰撞、重力等物理现象。

7.1 创建launch文件

创建完URDF文件后，可以通过launch文件在Rviz中查看所创建的模型，launch文件具体内容如下。

说明：

• 的作用是使能joint_state_publisher节点的GUI界面，发布各个关节（joint）消息，验证各个关节（joint）功能。
  

• 启动joint_state_publisher节点和robot_state_publisher节点，joint_state_publisher发布/joint_states话题消息，robot_state_publisher则接收/joint_states话题消息，发布tf变换关系，并由Rviz显示出来。
  

• args="-d $(find smartcar_description)/config/smartcar.rviz"表示加载和保存的Rviz配置文件路径。

7.2 启动Rviz

打开一个新的终端，输入以下指令，启动Rviz，查看所创建的模型。

$ roslaunch smartcar_description base_urdf_rviz.launch

说明：

• 若Rviz中没有正确显示模型，首先检查是否添加RobotModel，然后检查Fixed Frame是否为base_link。
• 若在左栏中添加TF，可以显示各个link之间的TF关系。