ROS 基础教程

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1.urdf 文件

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  假设我们的工作空间是 ws_ros。我们自己实现的包将会放在 ws_ros/src/toturial。首先创建一个 ROS 功能包 urdf_pkg：

# 在 ws_ros/src/toturial 下执行：
catkin_create_pkg urdf_pkg urdf xacro gazebo_ros gazebo_ros_control gazebo_plugins

该功能包有 5 个依赖 urdf xacro gazebo_ros gazebo_ros_control gazebo_plugins：urdf 和 xacro 让我们能使用 urdf 和 xacro 文件定义机器人模型；后面三个依赖让我们能使用 Gazebo 仿真。

1.1 在 Rviz 中显示 urdf

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  使用 urdf 文件定义一个仅有两个坐标系的机器人模型，并在 Rviz 中显示。

1.1.1 定义 urdf

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  创建文件 ws_ros/src/toturial/urdf_pkg/urdf/urdf1.urdf。

<robot name="urdf1">
    
    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.5 0.2 0.1" />
            geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0.785" />
            <material name="green">
                <color rgba="0 1 0 0.5" />
            material>
        visual>
    link>
    
    <link name="laser_link">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.05" length="0.01" />
            geometry>
            <origin xyz="0 0 0.05" rpy="0 0 0" />
            <material name="blue">
                <color rgba="0 0 1 1" />
            material>
        visual>
    link>
    
    <joint name="laser_link_to_base_link" type="fixed">
        <parent link="base_link" />
        <child link="laser_link" />
        <origin xyz="0 0 0" />
        <axis xyz="0 1 0" />
    joint>
robot>

  该模型有两个坐标系组成。第一个坐标系是名为 base_link 的长方体：标签 geometry 定义了尺寸；标签 origin 定义了几何中心的坐标和欧拉角 Roll-Pitch-Yaw，0.785 为 $\pi /4$；标签 color 定义了颜色。

  当 urdf 文件中定义的坐标系超过 1 个时，必须定义坐标系间的变换：定义了 n 个坐标系，需要定义 n-1 个变换。

1.1.2 在 Rviz 中查看 urdf

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  创建文件 ws_ros/src/toturial/urdf_pkg/launch/urdf1.launch。

<launch>
    
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf_pkg)/config/urdf1.rviz" />

    
    <param name="robot_description" textfile="$(find urdf_pkg)/urdf/urdf1.urdf" />
    <node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" output="screen" />
launch>

  该文件启动两个结点。rviz 结点用于可视化，urdf1.rviz 是 Rviz 的配置文件，需要我们启动后配置并保存，下次再启动时才能使用；robot_state_publisher 结点发布坐标系变换，必需为其指定 robot_description 参数。

  Rviz 启动时，默认只有 Global Options、Global Status 和 Gird 三项。Global Options/Fixed Frame 默认坐标系是 map，而我们的 urdf1.urdf 中只定义了坐标系 base_link 和 laser_link，所以会报错 Global Status/Fixed Frame/Unknown frame map。

  解决方法是在 Global Options/Fixed Frame 的下拉选框中选择 base_link 或 laser_link。因为我们的 urdf1.urdf 中只定义了坐标系 base_link 和 laser_link，所以下拉选框只有这两个。然后点击 Add，添加 RobotModel 就可以在 Rviz 中看到我们定义的机器人了。点击 File/Save Config As，保存 ws_ros/src/toturial/urdf_pkg/config/urdf1.rviz，下次就无需配置 Rviz 了。

图 1.1 在 Rviz 中显示 urdf

1.2 在 Gazebo 中显示 urdf

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  在 urdf1.urdf 的基础上定义 urdf2.urdf，并在 Gazebo 中显示。

1.2.1 定义 urdf

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  创建文件 ws_ros/src/toturial/urdf_pkg/urdf/urdf2.urdf。

<robot name="urdf2">
    
    <material name="green">
        <color rgba="0 1 0 0.5" />
    material>
    <material name="blue">
        <color rgba="0 0 1 1" />
    material>

    
    <link name="base_link">
        
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.5 0.2 0.1" />
            geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0.785" />
            <material name="green" />
        visual>
        
        <collision>
            <geometry>
                <box size="0.5 0.2 0.1" />
            geometry>
        collision>
        
        <inertial>
            <mass value="6" />
            <inertia ixx="1" ixy="0" ixz="0" iyy="1" iyz="0" izz="1" />
        inertial>
    link>
    
    <link name="laser_link">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.05" length="0.01" />
            geometry>
            <origin xyz="0 0 0.05" rpy="0 0 0" />
            <material name="blue" />
        visual>
    link>

    
    <joint name="laser_link_to_base_link" type="fixed">
        <parent link="base_link" />
        <child link="laser_link" />
        <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
        <axis xyz="0 1 0" />
    joint>

    
    <gazebo reference="base_link">
        <material>Gazebo/Greenmaterial>
    gazebo>
    <gazebo reference="laser_link">
        <material>Gazebo/Bluematerial>
    gazebo>
robot>

  和 urdf1 一样，该模型有两个坐标系组成。为了能在 Gazebo 中显示机器人，必须有一个坐标系定义了碰撞标签 collision 和惯性标签 inertial。此外，为了在 Gazebo 中显示颜色，必须在标签 gazebo 下使用标签 material 指定。

1.2.2 在 Gazebo 中查看 urdf

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  创建文件 ws_ros/src/toturial/urdf_pkg/launch/urdf2.launch。

<launch>
    
    <include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch" />

    
    <param name="robot_description" textfile="$(find urdf_pkg)/urdf/urdf2.urdf" />
    <node pkg="gazebo_ros" type="spawn_model" name="robot_urdf_tutorial" args="-urdf -model robot_urdf_tutorial -param robot_description" />
launch>

  该 launch 文件使用官方 ROS 包 gazebo_ros，这是安装 ROS 是自动安装的。使用 empty_world.launch 显示仿真环境，使用 spawn_model 显示我们的 urdf 文件。与 Rviz 不同的是，Gazebo 不需配置文件。

图 1.2 在 Gazebo 中显示 urdf

2.建图-仿真

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  在仿真环境下，使用 gmapping 建图。

2.1 模型

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  由于要使用带有差速轮的机器人模型，所以我们直接使用别人定义好的模型文件 ws_ros/src/toturial/navigation_pkg/urdf/agv.urdf。

<robot name="agv">
    
    <link name="base_coordinate">
        <visual>
            <geometry>
                <sphere radius="0.001" />
            geometry>
        visual>
    link>

    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <mesh filename="package://navigation_pkg/meshes/agv.stl"/>
            geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 1.57" />
            <material name="blue">
                <color rgba="0 0.25 0.5 0.8" />
            material>
        visual>
        <collision>
            <geometry>
                <box size="0.34 0.34 0.34" />
            geometry>
            <origin xyz="-0.8 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 1.57" />
        collision>
	    <inertial>
            <origin xyz="0 0 0" />
            <mass value="1" />
            <inertia ixx="0.2" ixy="0" ixz="0" iyy="0.2" iyz="0" izz="0.2" />
        inertial>
    link>
    <gazebo reference="base_link">
        <material>Gazebo/Bluematerial>
    gazebo>

    <joint name="base_link_to_base_coordinate" type="fixed">
        <parent link="base_coordinate" />
        <child link="base_link"/>
        <origin xyz="0 0 0.205" />
    joint>



    <link name="right_wheel">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.09" length="0.06" />
            geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="1.57 0 0" />
            <material name="black">
                <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
            material>
        visual>
        <collision>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.09" length="0.06" />
            geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="1.57 0 0" />
        collision>
	    <inertial>
            <origin xyz="0 0 0" />
            <mass value="2" />
            <inertia ixx="0.02" ixy="0" ixz="0" iyy="0.02" iyz="0" izz="0.04" />
        inertial>
    link>
    <gazebo reference="right_wheel">
        <material>Gazebo/Blackmaterial>
    gazebo>

    <joint name="base_r_wheel_joint" type="continuous">
        <parent link="base_link" />
        <child link="right_wheel" />
        <origin xyz="0.13 -0.1575 -0.115" />
        <axis xyz="0 1 0" />
    joint>


    <link name="left_wheel">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.09" length="0.06" />
            geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="1.57 0 0" />
            <material name="black">
                <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
            material>
        visual>
        <collision>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.09" length="0.06" />
            geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="1.57 0 0" />
        collision>
	    <inertial>
            <origin xyz="0 0 0" />
            <mass value="2" />
            <inertia ixx="0.02" ixy="0" ixz="0" iyy="0.02" iyz="0" izz="0.04" />
        inertial>
    link>
    <gazebo reference="left_wheel">
        <material>Gazebo/Blackmaterial>
    gazebo>

    <joint name="base_l_wheel_joint" type="continuous">
        <parent link="base_link" />
        <child link="left_wheel" />
        <origin xyz="0.13 0.1575 -0.115" />
        <axis xyz="0 1 0" />
    joint>



    <link name="universal_wheel">
        <visual>
            <geometry>
                <sphere radius="0.035" />
            geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="black">
                <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
            material>
        visual>
        <collision>
            <geometry>
                <sphere radius="0.035" />
            geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
        collision>
	    <inertial>
            <origin xyz="0 0 0" />
            <mass value="0.5" />
            <inertia ixx="0.0002" ixy="0" ixz="0" iyy="0.0002" iyz="0" izz="0.0002" />
        inertial>
    link>
    <gazebo reference="universal_wheel">
        <material>Gazebo/Whitematerial>
    gazebo>

    <joint name="universal_wheel_to_base_link" type="continuous">
        <parent link="base_link" />
        <child link="universal_wheel" />
        <origin xyz="-0.135 0 -0.17" />
        <axis xyz="1 1 1" />
    joint>

    <link name="laser">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.05 0.05 0.05" />
            geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="red">
                <color rgba="1.0 0.0 0.0 1.0" />
            material>
        visual>
        <collision>
            <geometry>
                <box size="0.05 0.05 0.05" />
            geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
        collision>
	    <inertial>
            <origin xyz="0 0 0" />
            <mass value="0.2" />
            <inertia ixx="0.00008" ixy="0" ixz="0" iyy="0.00008" iyz="0" izz="0.00008" />
        inertial>
    link>
    <gazebo reference="laser">
        <material>Gazebo/Redmaterial>
    gazebo>

    <joint name="laser_to_base_link" type="fixed">
        <parent link="base_link" />
        <child link="laser" />
        <origin xyz="0.12 0 0.195" />
    joint>


    <link name="camera">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.02" length="0.01" />
            geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 1.57 0" />
            <material name="yellow">
                <color rgba="1.0 1.0 0.0 1.0" />
            material>
        visual>
        <collision>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.02" length="0.01" />
            geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 1.57 0" />
        collision>
	    <inertial>
            <origin xyz="0 0 0" />
            <mass value="0.1" />
            <inertia ixx="0.00001" ixy="0" ixz="0" iyy="0.00001" iyz="0" izz="0.00002" />
        inertial>
    link>
    <gazebo reference="camera">
        <material>Gazebo/Yellowmaterial>
    gazebo>

    <joint name="camera_to_base_link" type="fixed">
        <parent link="base_link" />
        <child link="camera" />
        <origin xyz="0.23 0 0.145" />
    joint>


    <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>base_l_wheel_jointleftJoint> 
            <rightJoint>base_r_wheel_jointrightJoint>
            <wheelSeparation>0.315wheelSeparation> 
            <wheelDiameter>0.18wheelDiameter>
            <broadcastTF>1broadcastTF>
            <wheelTorque>30wheelTorque>
            <wheelAcceleration>1.8wheelAcceleration>
            <commandTopic>cmd_velcommandTopic>
            <odometryFrame>odomodometryFrame> 
            <odometryTopic>odomodometryTopic>
            <robotBaseFrame>base_coordinaterobotBaseFrame>
        plugin>
    gazebo>




    <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>