构建模拟的两轮ROS机器人

本次构建一个名为dd_robot的机器人，为机器人建立URDF文件后构建可视化模型，在rviz中能直观地看到。之后对URDF做些许修改后，机器人模型可以在Gazebo的模拟3D环境中移动。
名词解释：
dd 差分驱动 （differential drive）
URDF 统一的机器人描述格式（Unified Robot Description Format），描述机器人的主要组成部分，URDF文件能够被ROS的相关工具进行可视化和控制。
rviz：可视化工具。（ROS可视化，ROS visualization）
Gazebo：模拟工具，提供机器人移动的外部环境，模拟机器人的物理学特性。

1.rviz

rviz，以点云或深度图的形式显示3D传感器的数据；以图片数据的形式显示2D传感器的数据。3D设备：立体摄像机，激光扫描仪，Kinect；2D设备：网络摄像机，RGB摄像机，2D激光测距仪。
rviz提供提供一个可配置的GUI。

1.1.启动rviz

rviz 是ros-kinetic-desktop-full的组成部分，之前安装ROS时已经安装。
若尚未安装rviz，则输入下列命令从Debian软件进行安装

sudo apt-get install ros-kinetic-rviz

启动ROSmaster:

roscore

第二个终端启动rviz

rosrun rviz rviz

1.2.使用rviz

主界面分为四个显示区域：中心窗口、左侧的Displays控制面板、右侧的Views控制面板以及底部的Time控制面板
轨道视图：rviz默认的摄像机视图，在该视图下摄像头围绕一个焦点旋转。
在display面板中点击add按钮添加可视化元素

• 左键拖动：围绕焦点旋转
  Shift + 左键拖动：移动焦点
  右键拖动：缩放
  

1.3生成并构建ROS功能包

生成ROS功能包，catkin_create_pkg要求一个唯一的功能包名，同时提供功能包可选项依赖表，依赖表示功能包所需要的软件包。
格式为：caking_create_pkg [depend1] [depend2] [depend3]

cd ~/catkin_ws/src
catkin_create_pkg ros_robotics

构建（编译）上述功能包

cd ~/catking_ws
catkin_make

构建完毕后，子目录~/catkin_ws/devel的结构和目录/opt/ros/kinetic下的结构相似

2.构建差分驱动的机器人URDF

URDF是一种XML格式，专门对机器人硬件进行抽象的模型描述。
复杂的机器人系统，URDF文件会变得繁杂。一种XML宏命令语言Xacro（XML Macros）能够减少重复信息
自行编写源代码，需要在ros_roborics功能包目录下生成一个/urdf 目录

2.1生成机器人底座

对机器人模型进行描述时通常由两个基本的URDF组件定义一个树状结构实现。这两个组件一个是link组件（连接杆组件），一个是joint组件（关节组件）。
link组件描述了刚体的物理学属性（包括维度，初始位置，颜色等）。link组件由joint组件连接。joint组件描述了连接的运动学以及动态属性（包括连接的连接杆、关节类型、旋转轴、摩擦力和阻尼的合力等）
URDF组件实际上描述了一组link元素和一组将link元素连接在一起的joint元素合集。URDF文件是一个包含一根连接杆组件的树状结构。

机器人第一个组成部分是一个底座盒子。包含一个link组件，link组件名为base_link。base_link是整个机器人运动链的URDF根link组件，是构建机器人模型的初始组件。机器人模型中的其他连接杆组件将在该连接杆的基础上定义。
XML代码包含参数：盒子尺寸size，盒子中心初始位置xyz，在三条轴上的旋转rpy（滚转roll，俯仰pitch，偏航yaw）

代码实现

将 dd_robot.urdf 文件保存到 ~/catkin_ws/src/ros_robotics/urdf 目录下，文件的XML代码如下：

"dd_robot">
	
	"base_link">
		
			"0 0 0" rpy="0 0 0"/>
			
				"0.5 0.5 0.25"/>
			
		
	

标签定义了可视化元素相对于link参考系的参考系框架，本例把可视化元素——盒子的原点定为几何中心。

2.2使用roslaunch

roslaunch是ros的一个启动工具，命令格式： roslaunch [options] [package] <filename> [arg_name:=value…]

它能够使得启动 多个ROS节点的过程变得简单，同时也 简化了ROS参数服务器进行参数设置的过程。
roslaunch配置文件使用XML语言编写，文件以.launch为扩展名。
在分布式环境下，.launch文件为节点指定了运行的处理器。
roslaunch文件的功能：

• 将命令行中设置的模型加载到参数服务器中；
• 启动订阅了关节组件状态和转换的节点
• 启动使用urdf.rviz文件配置的rviz

代码实现

在ros_robotics功能包生成launch目录，在launch下生成ddrobot_rviz.launch文件，其XML代码如下：

        
   "model" />
   "gui" default="False" />

   
   "robot_description" textfile="$(find ros_robotics)/urdf/$(arg model)" />
   "use_gui" value="$(arg gui)"/>

   
   "joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" />

   "robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="state_publisher" />

   "rviz" pkg="rviz" type="rviz" args="-d $(find ros_robotics)/urdf.rviz" required="true" />
   

若在rviz中查看机器人模型，需要在终端输入命令：

roslaunch ros_robotics ddrobot_rviz.launch model:=dd_robot.urdf

设置主界面的盒子三个步骤：

• Displays面板下点Add按钮，添加RobotModel
• Displays面板下点Add按钮，添加TF；
• Global Options项下选择Fixed Frame，将 map 改为 base_link

若在退出时不保存 (文件名为urdf.rviz)，则每次都要执行上面三个步骤。

2.3添加轮子

为URDF文件添加连接杆组件时，需要添加关节组件以描述连接杆组件之间的关系。
关节有柔性关节（可移动的）和非柔性关节（固定的）之分。
在URDF中有6种可能的关节类型：

• 固定关节：六个自由度是锁定的。
• 旋转关节：能围绕一条轴进行旋转，有旋转上限和旋转下限的范围限制。
• 连续关节：连续铰链关节，围绕一条轴进行旋转，无范围限制。
• 棱柱形关节：可沿轴移动，移动范围有上限和下限。
• 浮动关节：可在六个自由度上移动。
• 平面关节：允许在一个垂直于坐标轴的平面内移动。

连续关节能无限制旋转，所以机器人的轮子选择连续关节。

代码实现

下面XML代码为机器人的轮子添加形状和组件。
，文件在2.1代码标签里继续添加添加如下代码，新文件命名为dd_robot2.urdf，保存路径与2.1同。

<!-- Right Wheel -->
"right_wheel">
	
		"0 0 0" rpy="1.570795 0 0"/>
		
			"0.1" radius="0.2"/>
		</geometry>
	</visual>
</link>
"joint_right_wheel" type="continuous">
	"base_link"/>
	"right_wheel"/>
	"0 -0.30 0" rpy="0 0 0"/>
	"0 1 0"/>
</joint>

<!-- Left Wheel -->
"left_wheel">
	
		"0 0 0" rpy="1.570795 0 0"/>
		
			"0.1" radius="0.2"/>
		</geometry>
	</visual>
</link>
"joint_left_wheel" type="continuous">
	"base_link"/>
	"left_wheel"/>
	"0 0.30 0" rpy="0 0 0"/>
	"0 1 0"/>
</joint>

轮子绕x轴旋转 pi/2。
轮子的旋转轴为y轴
关节组件基于父关节和子关节进行定义。

在终端运行rviz的roslaunch命令：

roslaunch ros_robotics ddrobot_rviz.launch model:=dd_robot2.urdf

以下步骤大同小异。

2.4添加小脚轮

在机器人的前方添加一个小脚轮来保证机器人底座的平衡于稳定，小脚轮为一个圆球。
在中添加下面代码，新文件名为dd_robot3.urdf

"caster">
  "0.2 0 -0.125" rpy="0 0 0" />
  
    "0.05" />
  

2.5添加颜色

在下的里添加标签
标签代码示例，新文件名为dd_robot4.urdf

"blue">
	"0 0.5 1 1"/>

标签的格式：红/绿/蓝/alpha每个取值范围均为[0,1]，alpha表示透明度，alpha为0时透明，为1时不透明。
指定标签的内容和名字后标签可以复用。

2.6添加碰撞属性

为机器人模型中每一个元素添加属性。新文件名为dd_robot5.urdf
代码示例

  "0 0 0" rpy="0 0 0" />
  
      "0.5 0.5 0.25"/>
  </geometry>
</collision>

添加碰撞属性不会改变机器人的可视化模型。

2.6移动轮子

ddrobot_rviz.launch文件启动了3个ROS节点：joint_state_publisher，robot_state_publisher，rviz。
joint_state_publisher节点找到所有非固定关节组件并将其通过JointState消息发布。消息中有转动轮子的常量值。
节点robot_state_publisher订阅了JointState消息，将机器人状态消息发布给tf坐标变换库。该节点以机器人关节角度为输入，计算出机器人连接杆组件的3D位姿，并将该姿态结果发布出去。该节点采用基于机器人URDF的动力学树状模型。
将gui添加到roslaunch命令中，弹出的gui窗口可以改变JointState消息的值
(对应改变urdf代码中关节组件的p值)

roslaunch ros_robotics ddrobot_rviz.launch model:=dd_robot5.urdf gui:True

tf功能包 是ROS的一个核心功能包，用来建立3D模拟环境中机器人模型以及各元素的坐标系之间的联系。

2.7添加物理学属性

添加完物理属性后，机器人才可以在Gazebo模拟器中启动，因为Gazebo物理引擎需要物理属性。这里用的物理属性有质量和惯性。
每一个要模拟的元素都需要一个的标签，其包含两个子元素：

• 单位为千克
• 3 * 3的转动惯量框架，有6个元素值 ixx,ixy,ixz,iyy,iyz,izz
  标签与、标签同级，在每个标签下方插入

代码示例，新文件名为dd_robot6.urdf

  
      "5"/>
      "0.13" ixy="0.0" ixz="0.0" iyy="0.21" iyz="0.0" izz="0.13"/>
  </inertial>

添加物理学属性不会改变机器人的可视化信息。

2.8 URDF工具

用ROS的命令行工具检查URDF的信息
安装

sudo apt-get install liburdfom-tools

check_urdf：检查URDF文件语法是否正确，正确则输出运动链的结果描述。
urdf_to_graphiz：生成URDF文件对应的graphviz图表(.gv)以及一个pdf文件。
Gazebo中模型文件为SDF格式。URDF文件通过增加一些特定的Gazebo信息转换为SDF格式。

3.Gazebo

gazebo对显卡有一定要求

3.1启动

gazebo命令运行两个程序：Gazebo服务器和Gazebo客户机。服务器是Gazebo的核心，负责物理属性和传感器数据，gzserver运行模拟进程。客户机是GUI，gzclient运行。

标准启动命令,启动一个空的环境。

roslaunch gazebo_ros empty_world.launch

3.2 使用

Gazebo界面由四部分组成：中部窗口，左侧的World、Layers、Insert面板，右侧的Joints面板、底部的Simulation面板。
工具栏按钮：选择模式(selection mode)、变换模式(translation mode)、旋转模式(rotation mode)、缩放模式(scale mode)；箱形、球形、圆柱形；点光源、聚光灯光源、直射光源。
太阳光源的属性：位姿，散射特性，反射特性，距离，衰减特性。

3.3 URDF的修改

在URDF文件中添加标签。该标签在URDF下不能被识别，在SDF下能被识别。标签和reference=" "属性一起使用。
要在Gazebo中指定颜色，需要为每一个连接杆组件指定一个gazebo 标签，置于结束标签之前。

若标签没有reference，则该标签会应用到整个机器人模型中。
若没有为连接杆指定和，则在Gazebo中把相关组件视为不可见、碰撞不可检测。

3.4在Gazebo中查看URDF

通过launch文件在Gazebo中查看URDF
通过下面代码生成ddrobot_gazebo.launch文件

  
  
  "$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch">
    "world_name" value="$(find ros_robotics)/worlds/ddrobot.world"/>
   
    "paused" default="false"/>
    "use_sim_time" default="true"/>
    "gui" default="true"/>
    "headless" default="false"/>
    "debug" default="false"/>

  

  
  "spawn_urdf" pkg="gazebo_ros" type="spawn_model" output="screen"
     args="-file $(find ros_robotics)/urdf/dd_robot.gazebo -urdf -model ddrobot" />

ddrobot_gazebo.launch文件继承了empty_world.launch的大部分功能。empty_world.launch来自gazebo_ros功能包

在ros_robotics下建立文件目录/worlds，放入ddrobot.world文件，在urdf下存放修改后的urdf文件：dd_robot.gazebo。
输入下面命令启动机器人模型dd_robot

roslaunch ros_robotics ddrobot_gazebo.launch

代码下载
https://github.com/PacktPublishing/ROS-Robotics-By-Example/tree/master/Chapter_2_code/ros_robotics