ROS 学习 Gazebo仿真

机器人模型添加Gazebo属性

使用xacro设计的机器人URDF模型已经描述了机器人的外观特征和物理特性，虽然已经具备在Gazebo中仿真的基本条件，但是，由于没有在模型中加入Gazebo的相关属性，还是无法让模型在Gazebo仿真环境中动起来。那么如何开始仿真呢？

首先我们需要确保每个link的元素已经进行了合理的设置，然后要为每个必要的、、设置标签。标签是URDF模型中描述gazebo仿真时所需要的扩展属性。

添加Gazebo属性之后的模型文件放置在本书配套源码mrobot_gazebo功能包的urdf文件夹下，以区别于mrobot_description中的URDF模型。

1.为link添加标签

针对机器人模型，需要对每一个link添加标签，包含的属性仅有material。material 属性的作用与link里中material属性的作用相同，Gazebo无法通过中的material参数设置外观颜色，所以需要单独设置，否则默认情况下Gazebo中显示的模型全是灰白色。

以base_link为例，标签的内容如下：

<gazebo reference="wheel_${lr}_link">
	<material>Gazebo/Black</material>
</gazebo>

2.添加传动装置

我们的机器人模型是一个两轮差速驱动的机器人，通过调节两个轮子的速度比例，完成前
进、转向、倒退等动作。火车跑得快，全靠车头带，在之前的模型中，并没有加入驱动机器人
运动的动力源，这当然是仿真必不可少的部分。
为了使用ROS控制器驱动机器人，需要在模型中加入元素，将传动装置与
joint绑定：

<transmission name="wheel_${lr}_joint_trans">
	<type>transmission_interface/SimpleTransmission</type>
	<joint name="base_to_wheel_${lr}_joint" />
	<actuator name="wheel_${lr}_joint_motor">
	<hardwareInterface>VelocityJointInterface</hardwareInterface>
	<mechanicalReduction>1</mechanicalReduction>
	</actuator>
</transmission>

以上代码中，定义了将要绑定驱动器的joint，标签声明了所使用的传
动装置类型，定义了硬件接口的类型，这里使用的是速度控制接口。
到现在为止，机器人还是一个静态显示的模型，如果要让它动起来，还需要使用Gazebo插
件。Gazebo插件赋予了URDF模型更加强大的功能，可以帮助模型绑定ROS消息，从而完成传
感器的仿真输出以及对电机的控制，让机器人模型更加真实。

3.添加Gazebo控制器插件

Gazebo插件可以根据插件的作用范围应用到URDF模型的robot>、link>、joint>上，需要使用标签作为封装。

（1）为元素添加插件
为元素添加Gazebo插件的方式如下：

<gazebo>
<plugin name="unique_name" filename="plugin_name.so">
... plugin parameters ...
</plugin>
</gazebo>

（2）为、标签添加插件

如果需要为、标签添加插件，则需要设置标签中的reference="x"属性：

<gazebo reference="your_link_name">
<plugin name=" unique_name " filename="plugin_name.so">
... plugin parameters ...
</plugin>
</gazebo>

至于Gazebo目前支持的插件种类，可以查看ROS默认安装路径下的/opt/ros/kinetic/lib文件夹，所有插件都是以libgazeboXXX.so的形式命名的。

Gazebo已经提供了一个用于差速控制的插件libgazebo_ros_diff_drive.so，可以将其应用到现有的机器人模型上。在mrobot_gazebo/urdf/mrobot_body.urdf.xacro文件中添加如下插件声明：

<!-- controller -->
<gazebo>
	<plugin name="differential_drive_controller" filename="libgazebo_ros_diff_drive.so">
	<rosDebugLevel>Debug</rosDebugLevel>
	<publishWheelTF>true</publishWheelTF>
	<robotNamespace>/</robotNamespace>
	<publishTf>1</publishTf>
	<publishWheelJointState>true</publishWheelJointState>
	<alwaysOn>true</alwaysOn>
	<updateRate>100.0</updateRate>
	<legacyMode>true</legacyMode>
	<leftJoint>base_to_wheel_left_joint</leftJoint>
	<rightJoint>base_to_wheel_right_joint</rightJoint>
	<wheelSeparation>${base_link_radius*2}</wheelSeparation>
	<wheelDiameter>${2*wheel_radius}</wheelDiameter>
	<broadcastTF>1</broadcastTF>
	<wheelTorque>30</wheelTorque>
	<wheelAcceleration>1.8</wheelAcceleration>
	<commandTopic>cmd_vel</commandTopic>
	<odometryFrame>odom</odometryFrame>
	<odometryTopic>odom</odometryTopic>
	 <robotBaseFrame>base_footprint</robotBaseFrame>
	</plugin>
</gazebo>

在加载差速控制器插件的过程中，需要配置一系列参数，其中比较关键的参数如下。

• robotNamespace ：机器人的命名空间，插件所有数据的发布、订阅都在该命名空间下。
• leftJoint>和 rightJoint>：左右轮转动的关节joint，控制器插件最终需要控制这两个joint转
  动。
• wheelSeparation>和- wheelDiameter>：这是机器人模型的相关尺寸，在计算差速参数时需
  要用到。
• wheelAcceleration>：车轮转动的加速度。
• commandTopic>：控制器订阅的速度控制指令，ROS中一般都命名为cmd_vel，生成全局
  命名时需要结合中设置的命名空间。
• odometryFrame>：里程计数据的参考坐标系，ROS中一般都命名为odom。

在Gazebo中显示机器人模型

创建一个启动文件robot_mrobot/mrobot_gazebo/view_mrobot_gazebo.launch，运行Gazebo，加载机器人模型，并且启动一些必要的节点：

<launch>
<!-- 设置launch文件的参数 -->
<arg name="world_name" value="$(find mrobot_gazebo)/worlds/playground.world"/>
<arg name="paused" default="false"/>
<arg name="use_sim_time" default="true"/>
<arg name="gui" default="true"/>
<arg name="headless" default="false"/>
<arg name="debug" default="false"/>
<!-- 运行Gazebo仿真环境 -->
<include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch">
<arg name="world_name" value="$(arg world_name)" />
<arg name="debug" value="$(arg debug)" />
<arg name="gui" value="$(arg gui)" />
<arg name="paused" value="$(arg paused)"/>
<arg name="use_sim_time" value="$(arg use_sim_time)"/>
<arg name="headless" value="$(arg headless)"/>
</include>
<!-- 加载机器人模型描述参数 -->
<param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro --inorder '$(find mrobot_gazebo)/urdf/mrobot.urdf.xacro'" />
<!-- 运行joint_state_publisher节点，发布机器人的关节状态 -->
<node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" ></node>
<!-- 运行robot_state_publisher节点，发布TF -->
<node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" output="screen" >
<param name="publish_frequency" type="double" value="50.0" />
</node>
<!-- 在gazebo中加载机器人模型-->
<node name="urdf_spawner" pkg="gazebo_ros" type="spawn_model" respawn= "false" output="screen"
args="-urdf -model mrobot -param robot_description"/>
</launch>

以上launch文件主要做了两项工作：

1）启动机器人的状态发布节点，同时加载带有Gazebo属性的机器人URDF模型。

2）启动Gazebo，并且将机器人模型加载到Gazebo仿真环境中。
现在，启动这个launch文件，如果一切正常，应该可以看到如图所示的界面，机器人模型已经加载进入仿真环境中。

roslaunch mrobot_gazebo view_mrobot_gazebo.launch

控制机器人在Gazebo中运动

机器人模型中已经加入了libgazebo_ros_diff_drive.so插件，可以使用差速控制器实现机器人运动。查看系统当前的话题列表

rostopic list

Gazebo仿真中已经开始订阅cmd_vel话题了。接下来可以运行键盘控制节点，发布该话题的速度控制消息，机器人就会在Gazebo中开始运动了

roslaunch mrobot_teleop mrobot_teleop.launch

当机器人在仿真环境中撞到障碍物时，会根据两者的物理属性决定机器人是否反弹，或者障碍物是否会被推动，这也证明了Gazebo是一种贴近真实环境的物理仿真平台。

摄像头仿真

在之前rviz+ArbotiX搭建的机器人仿真环境中，机器人装配了多种传感器模型，但是这些模型并无法获取任何环境数据。Gazebo的强大之处还在于提供了一系列传感器插件，可以帮助我们仿真传感器数据，获取Gazebo虚拟环境中的传感信息。

首先为机器人模型添加一个摄像头插件，让机器人看到Gazebo中的虚拟世界。

1.为摄像头模型添加Gazebo插件

类似于机器人模型中的差速控制器插件，传感器的Gazebo插件也需要在URDF模型中配置。复制mrobot_description中的传感器模型到mrobot_gazebo包中，然后在摄像头的模型文件
mrobot_gazebo/urdf/camera.xacro中添加的相关标签，代码如下：

<gazebo reference="${prefix}_link">
<material>Gazebo/Black</material>
</gazebo>
<gazebo reference="${prefix}_link">
<sensor type="camera" name="camera_node">
<update_rate>30.0</update_rate>
<camera name="head">
<horizontal_fov>1.3962634</horizontal_fov>
<image>
<width>1280</width>
<height>720</height>
<format>R8G8B8</format>
</image>
<clip>
<near>0.02</near>
<far>300</far>
</clip>
<noise>
<type>gaussian</type>
<mean>0.0</mean>
<stddev>0.007</stddev>
</noise>
</camera>
<plugin name="gazebo_camera" filename="libgazebo_ros_camera.so">
<alwaysOn>true</alwaysOn>
<updateRate>0.0</updateRate>
<cameraName>/camera</cameraName>
<imageTopicName>image_raw</imageTopicName>
<cameraInfoTopicName>camera_info</cameraInfoTopicName>
<frameName>camera_link</frameName>
<hackBaseline>0.07</hackBaseline>
<distortionK1>0.0</distortionK1>
<distortionK2>0.0</distortionK2>
<distortionK3>0.0</distortionK3>
<distortionT1>0.0</distortionT1>
<distortionT2>0.0</distortionT2>
</plugin>
</sensor>
</gazebo>

新的摄像头模型文件在模型描述部分没有变化，只需要加入两个gazebo 标签。

第一个gazebo 标签用来设置摄像头模型在Gazebo中的material，与机器人模型的配置相似，只需要设置颜色参数。

重点是第二个设置摄像头插件的 gazebo>标签。在加载传感器插件时，需要使用 sensor> 标签来包含传感器的各种属性。

例如现在使用的是摄像头传感器，需要设置type为camera，传 感器的命名（name）可以自由设置；然后使用 camera>标签具体描述摄像头的参数，包括分辨率、编码格式、图像范围、噪音参数等；最后需要使用 plugin>标签加载摄像头的插件 libgazebo_ros_camera.so，同时设置插件的参数，包括命名空间、发布图像的话题、参考坐标系 等。

2.运行仿真环境
现在摄像头插件已经配置完成，使用如下命令启动仿真环境，并加载装配了摄像头的机器人模型：

roslaunch mrobot_gazebo view_mrobot_with_camera_gazebo.launch

启动成功后，可以看到机器人已经在仿真环境中就位了，如图

查看当前系统中的话题列表

从上图发布的话题中可以看到摄像头已经开始发布图像消息了，使用rqt工具查看当前机器人眼前的世界：

 rqt_image_view

选择仿真摄像头发布的图像话题/camera/image_raw，即可看到如图所示的图像信息。