树莓派 ROS Noetic学习（三）通过两轮机器人学习 Rviz 和 Gazebo

建立两轮机器人 URDF 文件，通过两轮机器人来熟悉 ROS 工具 （包括可视化工具 Rviz 和 Gazebo 模拟器）的使用。

这里主要参考的书籍是 “ROS Robotics By Example, Second Edition”，其中书中的代码都在书本的 GitHub 页面 可以下载到。书本代码针对 ROS Kinetic 版本，我使用的是 Ubuntu 20.04 对应 Noetic 版本，有的细节处有所不同我在这里也有注明。

准备工作

对 .bashrc 文件进行配置

根据前面第一篇和第二篇文章说到的，应该已经配置过 .bashrc 文件了，运行以下命令确认源文件加载成功：

$ echo $ROS_PACKAGE_PATH

输出应该为：

/home/ubuntu/catkin_ws/src:/opt/ros/noetic/share

如果这两个路径中有一个路径没有的话，应该运行对应的命令：

$ echo "source /opt/ros/noetic/setup.bash" >> ~/.bashrc
$ echo "source ~/catkin_ws/devel/setup.bash" >> ~/.bashrc

哪个路径没有就运行哪个就行了，然后运行：

source ~/.bashrc

安装和启动 Rviz

如果在前面和我一样安装了 ros-noetic-desktop-full 版本，那么应该同时安装了 Rviz.

可以通过以下方式确认：

先打开一个终端，通过以下命令启动 ROS 终端：

$ roscore

然后打开第二个终端，运行：

$ rosrun rviz rviz

会启动以下 ROS 界面：

如果系统没有安装 Rviz，应该运行如下指令安装：

$ sudo apt-get update
$ sudo apt-get install ros-noetic-rviz

安装并启动 Gazebo

和 Rviz类似，如果已经安装了完整版本的 ROS: ros-noetic-desktop-full，那么应该已经安装了 Gazebo，检查 Gazebo 是否安装成功的方法为：打开一个终端窗口 （不需要有 roscore 在运行）并输入如下命令：

$ gazebo

执行后会出现类似下图的界面：

终结 Gazebo：在关闭 Gazebo 的图形化界面之后，可以用 Ctrl+C 关闭终端窗口进程。

如果没有安装 Gazebo，应该按照如下步骤安装：

$ sudo apt-get update
$ sudo apt-get -y install gazebo

生成并构建 ROS 功能包

首先切换到 catkin 工作空间（文件夹）目录下：

$ cd ~/catkin_ws/src

然后生成功能包 ros_robotics:

$ catkin_create_pkg ros_robotics

功能包生成之后还需要 make ，由于现在在 /catkin_ws/src 目录下，而构建功能包需要在 catkin 工作空间下构建：

cd ~/catkin_ws #或者在 /catkin_ws/src目录下: cd ..
catkin_make

构建两轮机器人 URDF

如上所说，所有代码都在书本的 GitHub 页面可以下载到，如果直接下载的话就用链接里 Chapter 2 的文件夹直接覆盖掉刚刚创建的 ~catkin_ws/src/ros_robotics 就可以了。如果自己生成或者是想看着代码一步一步走的话，需要线生成一个 urdf目录：

$ cd ~/catkin_ws/src/ros_robotics
$ mkdir urdf

创建机器人底座

然后在 urdf 文件夹下创建一个文件 dd_robot.urdf：

<robot name="dd_robot">

  
  <link name="base_link">
    <visual>
      <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
      <geometry>
          <box size="0.5 0.5 0.25"/>
      geometry>
    visual>
  link>

robot>

这里创建的 baselink 就是机器人的底座。地作为一个长和宽为 0.5 m，高为 0.25 m 的矩形盒子。盒子的中心在原点 (origin xyz=“0 0 0”)， 盒子在 roll, pitch and yaw 三个方向都不存在旋转 (rpy =“0 0 0”)。

使用 roslaunch

roslaunch 可以简化启动多个 ROS 节点的过程，之前我们每次都需要通过 roscore 来启动 ROS 节点管理器，有了 肉丝launch 文件就不需要了。

同样可以下载这个 ddrobot_rviz.launch 到目录 ~/catkin_ws/src/ros_robotics/launch 目录下 （如果没有launch目录需要新建一个）。

最后下载 urdf.rviz 文件在 ~/catkin_ws/src/ros_robotics 目录下。至此该目录下应该有：

• launch文件夹
• urdf 文件夹
• CMakeLists.txt
• package.xml
• urdf.rviz

然后运行如下命令在 Rviz 中查看机器人模型：

$ roslaunch ros_robotics ddrobot_rviz.launch model:=dd_robot.urdf

这里有一个地方按照代码运行会报错，在这里先贴一下原本的 ddrobot_rviz.launch 文件：

<launch>
        
   <arg name="model" />
   <arg name="gui" default="False" />

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

   
   <node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" />

   <node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="state_publisher" />

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

如果直接运行，会报错如下：

ERROR: cannot launch node of type [robot_state_publisher/state_publisher]: Cannot locate node of type [state_publisher] in package [robot_state_publisher]. Make sure file exists in package path and permission is set to executable (chmod +x)

这里需要注意，在 Noetic 里，需要把上面 ddrobot_rviz.launch 文件里第13行的：

<node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="state_publisher" />

改为：

<node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" />

注意 type =“state_publisher” 需要改成 type=“robot_state_pubisher”。（之后的所有 rviz.launch 都需要进行这个修改）然后再运行：

$ roslaunch ros_robotics ddrobot_rviz.launch model:=dd_robot.urdf

应该得到一个如图所示的界面：

如果是第一次使用，可能界面上没有显示盒子，并且在 Displays 面板也没有 RobotModel 或者 TF 选项，可以按照如下方法添加（无顺序要求）：

• 选择 Displays 面板下的 Add 按钮，添加 RobotModel
• 选择 Displays 面板下的 Add 按钮，添加 TF
• 选择靠近 Fixed Frame 的区域 （位于 Global Options 下面），可能这个区域我截图里面显示的是 base_link，你需要将显示的 map 改成 base_link (手动输入即可)

即可得到如上图显示的界面

添加轮子、颜色和碰撞属性

在这里原书通过创建了4个 urdf（都是在 dd_robot.urdf 的基础上进行添加）来进行演示，因为只是在 urdf 添加代码，读者可以自行学习原书代码。在添加玩这些属性之后，得到了一个 dd_robot5.urdf， 这里再运行 roslaunch命令：

$ roslaunch ros_robotics ddrobot_rviz.launch model:=dd_robot5.urdf

Rviz界面应当如图所示：

移动轮子

到现在我们已经定义了这个两轮机器人，下面希望可以通过 GUI 弹窗来控制两个轮子，在 launch 文件里，我们启动了 joint_state_publisher 这个节点，它找到苏油的非固定关节组件并将定义了的关节组件通过 JointState 消息发布。到目前为止， JointState 消息中的值一直保持不变，以防止轮子旋转。我们现在可以启动一个 GUI 结构来改变 JointSate 消息中的值。

首先需要安装一个包: （在 Noetic 中才需要，之前的版本好像不需要）

$ sudo apt-get install joint_state_publisher_gui

然后将launch文件中所有的 joint_state_publisher 改成 joint_state_publisher_gui，这个在 Noetic 中非常重要，不然不能显示这个 GUI。

也就是说对于 Noetic来说，应该要将：

<node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" >="" ="" name="use_gui" value="True"/> node>

改成：

 <node name="joint_state_publisher_gui" pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" >="" ="" name="use_gui" value="True"/> node>

最后的 ddrobot_rviz.launch 如下所示：

<launch>
        
   <arg name="model" />
   <arg name="gui" default="False" />

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

   
   <node name="joint_state_publisher_gui" pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" />

   <node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" /> 

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

然后运行：

$ roslaunch ros_robotics ddrobot_rviz.launch model:=dd_robot5.urdf

注意如果是 Noetic 之前的版本，好像应该是：

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

在 Noetic里面由于启动了 joint_state_publisher_gui 节点，就不需要这个 argument了。

启动后如图：
可以通过这个滑条或者 Random 来改变小轮的角度。

添加物理学属性

添加物理学属性是为了让机器人可以在 Gazebo模拟器中启动。需要将要模拟的 元素都添加一个 标签，该标签包含了质量和转动惯量矩阵两个子元素。在网站上的 dd_robot6.urdf 中，包含了之前全部定义的元素和这里的物理学属性。下载 dd_robot6.urdf 之后，可以：

$ roslaunch ros_robotics ddrobot_rviz.launch model:=dd_robot6.urdf

这里直接运行这个会出现一个警告：

[ WARN] [1661329049.295041222]: The root link base_link has an inertia specified in the URDF, but KDL does not support a root link with an inertia.  As a workaround, you can add an extra dummy link to your URDF.

解决这个问题的方法是按照提示增加一个 dummy link。一个简单的例子如下：

<link name="dummy">
   link>
<link name="base_link">
    <inertial>
      <origin xyz="0.15 0.15 .2" rpy="0 0 0"/>
      <mass value="10"/>
      <inertia ixx="0" ixy="0" ixz="0" iyy="0" iyz="0" izz="0"/>
    inertial>
    <visual>
      <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
      <geometry>
                   <box size="0.01 0.01 0.01"/>
      geometry>
    visual>
    <collision>
      <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
      <geometry>
      <box size="0.01 0.01 0.01"/>
      geometry>
    collision>
  link>
  <joint name="dummy_joint" type="fixed">
     <parent link="dummy"/>
     <child link="base_link"/>
   joint>

在 dd_robot6.urdf 中： 加入dummy link 和 dummy joint 如下：

<robot name="dd_robot">
  <link name="dummy" >
  link >
  
  ...
  <joint name="dummy_joint" type="fixed">
    <parent link="dummy"/>
    <child link="base_link"/>
  joint>
  
  ...

保存后再运行：

$ roslaunch ros_robotics ddrobot_rviz.launch model:=dd_robot6.urdf

在 Rviz 中将模型可视化，就不会出现上述警告了。由于物理学属性没有改变可视化信息，所以在 Rviz 中应该显示的是和之前相同的。

使用 URDF 工具

首先：

$ sudo apt-get install liburdfdom-tools

然后一个用得比较多的命令是：

$ check_urdf dd_robot6.urdf

输出为：

robot name is: dd_robot
---------- Successfully Parsed XML ---------------
root Link: dummy has 1 child(ren)
    child(1):  base_link
        child(1):  left_wheel
        child(2):  right_wheel

这里注意这个 dummy link 是上一步骤加了物理属性之后，因为 base link 不能有 inertia 属性而加上的。

这个命令还挺有用的，有时候 urdf 或者后面要用到的 xacro 文件有问题，都可以用这个命令。

Gazebo

URDF 的修改

Gazebo 环境支持的文件格式是 SDF 格式。因此我们需要通过一些修改，使得 Gazebo 能自动将 URDF 代码转换成 SDF 格式的机器人描述。 主要有三个内容：

• 添加 Gazebo 标签 （可以参考 Gazebo 用户手册）
• 在 Gazebo 中指定颜色
• Gazebo 中的 visual 和 collision 属性

更新之后的 dd_robot 模型同样在原书网站上，名称为 dd_robot.gazebo，将其下载在 ros_robotics/urdf 文件夹中后，可以通过以下命令来检测模型：

$ check_urdf dd_robot.gazebo

得到的输出为：

robot name is: dd_robot
---------- Successfully Parsed XML ---------------
root Link: base_link has 2 child(ren)
    child(1):  left_wheel
    child(2):  right_wheel

还可以用下面的命令来检测 URDF 文件是否可以被转换为 SDF 格式：

gz sdf -p dd_robot.gazebo

（书上这里写的是 gzsdf 可能是打错了，中间需要有空格）

上述命令会将完整的 SDF 文件内容输出到屏幕上。

在 Gazebo 中查看 URDF

首先下载 ddrobot_gazebo.launch 到 ros_robotics/launch 文件夹下。

然后下载 ddrobot.world 到 ros_robotics/worlds 文件夹下。 （如果没有worlds文件夹，需要创建一个）

在这里下载到的 ddrobot.world. 其中添加了两个 construction cone 的障碍，但是名字都是:

<name>construction_conename>

这里需要将第二个名字修改掉，比如我这边的 ddrobot.world 文件修改后为：

<sdf version="1.4">
  <world name="default">
    <include>
      <uri>model://ground_planeuri>
    include>
    <include>
      <uri>model://sunuri>
    include>
    <include>
      <uri>model://construction_coneuri>
      <name>construction_conename>
      <pose>-3.0 0 0 0 0 0pose>
    include>
    <include>
      <uri>model://construction_coneuri>
      <name>construction_cone1name> 
      <pose>3.0 0 0 0 0 0pose>
    include>
  world>
sdf>

注意第 17 行的修改。

然后输入并执行以下命令：

$ roslaunch ros_robotics ddrobot_gazebo.launch

Gazebo 的界面如图所示：

移动机器人模型

可以通过 Joints 面板来对机器人进行简单的关节组件控制。在上图中，右侧有一个黑边有几个小白点，按住黑边上小白点的左边，往左边拖动，可以拖出 Joints 面板。在 selection 模式下，可以点击 ddrobot 模型，模型周围会显示一个白框， 在 Joints 面板可以看到可以修改的 joint_left_wheel 和 joint_right_wheel 的 Force, Position 和 Velocity 的值 （如下图所示）。可以尝试通过修改这些值来看机器人怎么运动。