【ROS】—— 机器人系统仿真 —RDF、Gazebo与Rviz综合应用(十六)

前言

本系列将依托赵虚左老师的ROS课程，写下自己的一些心得与笔记。
课程链接:https://www.bilibili.com/video/BV1Ci4y1L7ZZ
讲义链接:http://www.autolabor.com.cn/book/ROSTutorials/index.html
文章可能存在疏漏的地方，恳请大家指出。

1. 机器人运动控制以及里程计信息显示

1.1 ros_control 简介

保证 ROS 程序的可移植性
ros_control:是一组软件包，它包含了控制器接口，控制器管理器，传输和硬件接口。ros_control 是一套机器人控制的中间件，是一套规范，不同的机器人平台只要按照这套规范实现，那么就可以保证 与ROS 程序兼容，通过这套规范，实现了一种可插拔的架构设计，大大提高了程序设计的效率与灵活性。

1.2 运动控制实现流程(Gazebo)

承上，运动控制基本流程:

• 已经创建完毕的机器人模型，编写一个单独的 xacro 文件，为机器人模型添加传动装置以及控制器
• 将此文件集成进xacro文件
• 启动 Gazebo 并发布 /cmd_vel 消息控制机器人运动

1.2.1 为 joint 添加传动装置以及控制器

两轮差速配置

<robot name="my_car_move" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">

    
    <xacro:macro name="joint_trans" params="joint_name">
        
        <transmission name="${joint_name}_trans">
            <type>transmission_interface/SimpleTransmissiontype>
            <joint name="${joint_name}">
                <hardwareInterface>hardware_interface/VelocityJointInterfacehardwareInterface>
            joint>
            <actuator name="${joint_name}_motor">
                <hardwareInterface>hardware_interface/VelocityJointInterfacehardwareInterface>
                <mechanicalReduction>1mechanicalReduction>
            actuator>
        transmission>
    xacro:macro>

    
    <xacro:joint_trans joint_name="left_wheel2base_link" />
    <xacro:joint_trans joint_name="right_wheel2base_link" />

    
    <gazebo>
        <plugin name="differential_drive_controller" filename="libgazebo_ros_diff_drive.so">
            <rosDebugLevel>DebugrosDebugLevel>
            <publishWheelTF>truepublishWheelTF>
            <robotNamespace>/robotNamespace>
            <publishTf>1publishTf>
            <publishWheelJointState>truepublishWheelJointState>
            <alwaysOn>truealwaysOn>
            <updateRate>100.0updateRate>
            <legacyMode>truelegacyMode>
            <leftJoint>left_wheel2base_linkleftJoint> 
            <rightJoint>right_wheel2base_linkrightJoint> 
            <wheelSeparation>${base_link_radius * 2}wheelSeparation> 
            <wheelDiameter>${wheel_radius * 2}wheelDiameter> 
            <broadcastTF>1broadcastTF>
            <wheelTorque>30wheelTorque>
            <wheelAcceleration>1.8wheelAcceleration>
            <commandTopic>cmd_velcommandTopic> 
            <odometryFrame>odomodometryFrame> 
            <odometryTopic>odomodometryTopic> 
            <robotBaseFrame>base_footprintrobotBaseFrame> 
        plugin>
    gazebo>

robot>

依据驱动轮的xacro文件,将此处的joint名称改为驱动轮关节的名称.

<xacro:joint_trans joint_name="left_wheel2base_link" />
<xacro:joint_trans joint_name="right_wheel2base_link" />

同理,此处也要进行修改

            <leftJoint>left_wheel2base_linkleftJoint> 
            <rightJoint>right_wheel2base_linkrightJoint> 

车轮间距与车轮直径也需修改

         <wheelSeparation>${base_link_radius * 2}wheelSeparation> 
            <wheelDiameter>${wheel_radius * 2}wheelDiameter> 

1.2.2 xacro文件集成

<robot name="my_car_camera" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
    <xacro:include filename="my_head.urdf.xacro" />
    <xacro:include filename="my_base.urdf.xacro" />
    <xacro:include filename="my_camera.urdf.xacro" />
    <xacro:include filename="my_laser.urdf.xacro" />
    <xacro:include filename="move.urdf.xacro" />
robot>

1.2.3 启动 gazebo并控制机器人运动

<launch>

    
    <param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro $(find demo02_urdf_gazebo)/urdf/xacro/my_base_camera_laser.urdf.xacro" />
    
    <include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch">
        <arg name="world_name" value="$(find demo02_urdf_gazebo)/worlds/hello.world" />
    include>

    
    <node pkg="gazebo_ros" type="spawn_model" name="model" args="-urdf -model mycar -param robot_description"  />
launch>

2. 雷达信息仿真以及显示

雷达仿真基本流程:

• 已经创建完毕的机器人模型，编写一个单独的 xacro 文件，为机器人模型添加雷达配置；
• 将此文件集成进xacro文件；
• 启动 Gazebo，使用 Rviz 显示雷达信息。

2.1 新建 Xacro 文件，配置雷达传感器信息

<robot name="my_sensors" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">

  
  <gazebo reference="laser">
    <sensor type="ray" name="rplidar"> 
      <pose>0 0 0 0 0 0pose>   
      <visualize>truevisualize>   
      <update_rate>5.5update_rate>   
      <ray>
        <scan>
          <horizontal>
            <samples>360samples>   
            <resolution>1resolution>   
            <min_angle>-3min_angle>   
            <max_angle>3max_angle>
          horizontal>
        scan>
        <range>
          <min>0.10min>   
          <max>30.0max>  
          <resolution>0.01resolution>  
        range>
        <noise>
          <type>gaussiantype>  
          <mean>0.0mean>
          <stddev>0.01stddev>
        noise>
      ray>
      <plugin name="gazebo_rplidar" filename="libgazebo_ros_laser.so">
        <topicName>/scantopicName>
        <frameName>laserframeName>
      plugin>
    sensor>
  gazebo>

robot>

重点:

  <gazebo reference="laser">

        <topicName>/scantopicName>
        <frameName>laserframeName>

2.2 xacro 文件集成

<robot name="my_car_camera" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
    <xacro:include filename="my_head.urdf.xacro" />
    <xacro:include filename="my_base.urdf.xacro" />
    <xacro:include filename="my_camera.urdf.xacro" />
    <xacro:include filename="my_laser.urdf.xacro" />
    <xacro:include filename="move.urdf.xacro" />
    
    <xacro:include filename="my_sensors_laser.urdf.xacro" />
robot>

2.3 启动仿真环境

gazebo的launch文件与之前一致

rviz的launch文件如下:

<launch> 
    <param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro $(find  urdf02_gazebo)/urdf/xacro/car.urdf.xacro" />
    
    <node pkg = "rviz" type = "rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf01_rviz)/config/demo01.rviz"/>
    
    <node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher" />
    
    <node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" />
launch>

gazebo显示效果
rviz显示效果

3. 摄像头信息仿真以及显示

摄像头仿真基本流程:

• 已经创建完毕的机器人模型，编写一个单独的 xacro 文件，为机器人模型添加摄像头配置；
• 将此文件集成进xacro文件；
• 启动 Gazebo，使用 Rviz 显示摄像头信息。

3.1 新建 Xacro 文件，配置摄像头传感器信息

<robot name="my_sensors" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
  
  <gazebo reference="camera">
    
    <sensor type="camera" name="camera_node">
      <update_rate>30.0update_rate> 
      
      <camera name="head">
        <horizontal_fov>1.3962634horizontal_fov>
        <image>
          <width>1280width>
          <height>720height>
          <format>R8G8B8format>
        image>
        <clip>
          <near>0.02near>
          <far>300far>
        clip>
        <noise>
          <type>gaussiantype>
          <mean>0.0mean>
          <stddev>0.007stddev>
        noise>
      camera>
      
      <plugin name="gazebo_camera" filename="libgazebo_ros_camera.so">
        <alwaysOn>truealwaysOn>
        <updateRate>0.0updateRate>
        <cameraName>/cameracameraName>
        <imageTopicName>image_rawimageTopicName>
        <cameraInfoTopicName>camera_infocameraInfoTopicName>
        <frameName>cameraframeName>
        <hackBaseline>0.07hackBaseline>
        <distortionK1>0.0distortionK1>
        <distortionK2>0.0distortionK2>
        <distortionK3>0.0distortionK3>
        <distortionT1>0.0distortionT1>
        <distortionT2>0.0distortionT2>
      plugin>
    sensor>
  gazebo>
robot>

重点

  
  <gazebo reference="camera">
    
    <sensor type="camera" name="camera_node">

	<frameName>cameraframeName>

3.2 xacro 文件集成

<robot name="my_car_camera" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
    <xacro:include filename="my_head.urdf.xacro" />
    <xacro:include filename="my_base.urdf.xacro" />
    <xacro:include filename="my_camera.urdf.xacro" />
    <xacro:include filename="my_laser.urdf.xacro" />
    <xacro:include filename="move.urdf.xacro" />
    
    <xacro:include filename="my_sensors_camara.urdf.xacro" />
robot>

3.3 运行

和之前一致

4. kinect信息仿真以及显示

4.1 新建 Xacro 文件，配置 kinetic传感器信息

<robot name="my_sensors" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
    <gazebo reference="kinect link名称">  
      <sensor type="depth" name="camera">
        <always_on>truealways_on>
        <update_rate>20.0update_rate>
        <camera>
          <horizontal_fov>${60.0*PI/180.0}horizontal_fov>
          <image>
            <format>R8G8B8format>
            <width>640width>
            <height>480height>
          image>
          <clip>
            <near>0.05near>
            <far>8.0far>
          clip>
        camera>
        <plugin name="kinect_camera_controller" filename="libgazebo_ros_openni_kinect.so">
          <cameraName>cameracameraName>
          <alwaysOn>truealwaysOn>
          <updateRate>10updateRate>
          <imageTopicName>rgb/image_rawimageTopicName>
          <depthImageTopicName>depth/image_rawdepthImageTopicName>
          <pointCloudTopicName>depth/pointspointCloudTopicName>
          <cameraInfoTopicName>rgb/camera_infocameraInfoTopicName>
          <depthImageCameraInfoTopicName>depth/camera_infodepthImageCameraInfoTopicName>
          <frameName>kinect link名称frameName>
          <baseline>0.1baseline>
          <distortion_k1>0.0distortion_k1>
          <distortion_k2>0.0distortion_k2>
          <distortion_k3>0.0distortion_k3>
          <distortion_t1>0.0distortion_t1>
          <distortion_t2>0.0distortion_t2>
          <pointCloudCutoff>0.4pointCloudCutoff>
        plugin>
      sensor>
    gazebo>

robot>

4.2 xacro 文件集成

<robot name="my_car_camera" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
    <xacro:include filename="my_head.urdf.xacro" />
    <xacro:include filename="my_base.urdf.xacro" />
    <xacro:include filename="my_camera.urdf.xacro" />
    <xacro:include filename="my_laser.urdf.xacro" />
    <xacro:include filename="move.urdf.xacro" />
    
    <xacro:include filename="my_sensors_kinect.urdf.xacro" />
robot>

4.3 运行

4.4 kinect 点云数据显示

问题:在rviz中显示时错位。

原因:在kinect中图像数据与点云数据使用了两套坐标系统，且两套坐标系统位姿并不一致。

解决:
1.在插件中为kinect设置坐标系，修改配置文件的标签内容：

<frameName>support_depthframeName>

2.发布新设置的坐标系到kinect连杆的坐标变换关系，在启动rviz的launch中，添加:

<node pkg="tf2_ros" type="static_transform_publisher" name="static_transform_publisher" args="0 0 0 -1.57 0 -1.57 /support /support_depth" />