在Jetson Nano上学习ROS的记录（版本Ubuntu18.04，课程来源赵虚左老师的《ROS理论与实践》）第十一章-第一节 机器人系统仿真（URDF相关）
系列文章目录
第一章 ROS空间创建、helloworld的实现、开启多个节点
第二章 话题通信
第三章 服务通信
第四章 参数服务器
第五章 常用指令
第六章 通信机制实操
第七章 ROS通信机制进阶（常用API、Python模块的导入)
第八章 元功能包、节点运行管理launch文件（teleop_twist安装方法）
第九章 重名问题、分布式通信
第十章-第一节 TF坐标变换（内含PyKDL 和PyInit__tf2功能缺失等解决）
第十章-第二节 TF坐标变换实操
第十章-第三节 rosbag、rqt工具箱
第十一章-第一节 机器人系统仿真（URDF相关）
第十一章-第二节 机器人系统仿真（Gazebo相关）
第十二章 机器人导航(仿真)
前言
现在大二，之前大一有幸参加了2021的国赛，很壮烈的拿了个江苏赛区的二等奖。但发现无人机这个题，真的是往堆钱上走了。不上ROS不行，现在来记录一下一个纯小白学习ROS的过程和遇到的问题。防止学弟、学妹们再走我走过的弯路。板子用的是学长给的Jetson Nano（4GB），版本是Ubuntu18.04（已配置好基础ROS所需配置）
一、概述
对于ROS新手而言，可能会有疑问:学习机器人操作系统，实体机器人是必须的吗？答案是否定的，机器人一般价格不菲，为了降低机器人学习、调试成本，在ROS中提供了系统的机器人仿真实现，通过仿真，可以实现大部分需求，本章主要就是围绕“仿真”展开的，比如，本章会介绍:
- 如何创建并显示机器人模型； #URDF
- 如何搭建仿真环境； #Gazebo
- 如何实现机器人模型与仿真环境的交互。 #Rviz
本章预期的学习目标如下:
- 能够独立使用URDF创建机器人模型，并在Rviz和Gazebo中分别显示；
- 能够使用Gazebo搭建仿真环境；
- 能够使用机器人模型中的传感器(雷达、摄像头、编码器…)获取仿真环境数据。
1.概念
机器人系统仿真：是通过计算机对实体机器人系统进行模拟的技术，在 ROS 中，仿真实现涉及的内容主要有三:对机器人建模(URDF)、创建仿真环境(Gazebo)以及感知环境(Rviz)等系统性实现。
2.相关组件
-
URDF
URDF是 Unified Robot Description Format 的首字母缩写，直译为统一(标准化)机器人描述格式，可以以一种 XML 的方式描述机器人的部分结构，比如底盘、摄像头、激光雷达、机械臂以及不同关节的自由度…,该文件可以被 C++ 内置的解释器转换成可视化的机器人模型，是 ROS 中实现机器人仿真的重要组件。 -
rviz
RViz 是 ROS Visualization Tool 的首字母缩写，直译为ROS的三维可视化工具。它的主要目的是以三维方式显示ROS消息，可以将 数据进行可视化表达。例如:可以显示机器人模型，可以无需编程就能表达激光测距仪（LRF）传感器中的传感 器到障碍物的距离，RealSense、Kinect或Xtion等三维距离传感器的点云数据（PCD， Point Cloud Data），从相机获取的图像值等
以“ros- [ROS_DISTRO] -desktop-full”命令安装ROS时，RViz会默认被安装。
运行使用命令rviz或rosrun rviz rviz
如果rviz没有安装，请调用如下命令自行安装:注意我的版本是ubuntu18.04，melodic
sudo apt install ros-melodic-rviz
- gazebo
Gazebo是一款3D动态模拟器，用于显示机器人模型并创建仿真环境,能够在复杂的室内和室外环境中准确有效地模拟机器人。与游戏引擎提供高保真度的视觉模拟类似，Gazebo提供高保真度的物理模拟，其提供一整套传感器模型，以及对用户和程序非常友好的交互方式。
以“ros- [ROS_DISTRO] -desktop-full”命令安装ROS时，gzebo会默认被安装。
运行使用命令gazebo或rosrun gazebo_ros gazebo
二、URDF集成Rviz基本流程
前面介绍过，URDF 不能单独使用，需要结合 Rviz 或 Gazebo，URDF 只是一个xml文件，需要在 Rviz 或 Gazebo 中渲染成图形化的机器人模型，当前，首先演示URDF与Rviz的集成使用，因为URDF与Rviz的集成较之于URDF与Gazebo的集成更为简单，后期，基于Rviz的集成实现，我们再进一步介绍URDF语法。
需求描述:
在 Rviz 中显示一个盒状机器人
实现流程：
- 准备:新建功能包，导入依赖
- 核心:编写 urdf 文件
- 核心:在 launch 文件集成 URDF 与 Rviz
- 在 Rviz 中显示机器人模型
1.创建功能包，导入依赖
mkdir -p 自定义空间名称/src #创建空间
cd 自定义空间名称 #进入空间
catkin_make #初始化
cd src #进入src
catkin_create_pkg 自定义ROS包名 urdf xacro
在当前功能包下，再新建几个目录:
- urdf: 存储 urdf 文件的目录
- meshes:机器人模型渲染文件(暂不使用)——皮肤
- config: 配置文件
- launch:存储 launch 启动文件
2.编写 URDF 文件
新建一个子级文件夹:urdf、xacro，文件夹中添加一个.urdf文件,复制如下内容:
<robot name="mycar">
<link name="base_link">
<visual>
<geometry>
<box size="0.5 0.2 0.1" />
geometry>
visual>
link>
robot>
3.在 launch 文件中集成 URDF 与 Rviz
在launch目录下，新建一个 launch 文件，该 launch 文件需要启动 Rviz，并导入 urdf 文件，Rviz 启动后可以自动载入解析urdf文件，并显示机器人模型，核心问题:如何导入 urdf 文件? 在 ROS 中，可以将 urdf 文件的路径设置到参数服务器，使用的参数名是:robot_description,示例代码如下:
<launch>
<param name="robot_description" textfile="$(find urdf01_rviz)/urdf/urdf/demo01_helloworld.urdf"/>
<node pkg="rviz" type="rviz" name= "rviz"/>
launch>
4.在 Rviz 中显示机器人模型
记得上一步中需要保存。和编译
快捷键 ctrl + shift + B 调用编译，选择:catkin_make:build(小齿轮）
可以点击配置设置为默认，修改.vscode/tasks.json 文件
{
// 有关 tasks.json 格式的文档，请参见
// https://go.microsoft.com/fwlink/?LinkId=733558
"version": "2.0.0",
"tasks": [
{
"label": "catkin_make:debug", //代表提示的描述性信息
"type": "shell", //可以选择shell或者process,如果是shell代码是在shell里面运行一个命令，如果是process代表作为一个进程来运行
"command": "catkin_make",//这个是我们需要运行的命令
"args": [],//如果需要在命令后面加一些后缀，可以写在这里，比如-DCATKIN_WHITELIST_PACKAGES=“pac1;pac2”
"group": {"kind":"build","isDefault":true},
"presentation": {
"reveal": "always"//可选always或者silence，代表是否输出信息
},
"problemMatcher": "$msCompile"
}
]
}
打开一个命令行：
source ./devel/setup.bash
roslaunch urdf01_rviz demo01_helloworld.launch
rviz 启动后，会发现并没有盒装的机器人模型，这是因为默认情况下没有添加机器人显示组件，需要手动添加，添加方式如下:
5.优化 rviz 启动
重复启动launch文件时，Rviz 之前的组件配置信息不会自动保存，需要重复执行步骤4的操作，为了方便使用，可以使用如下方式优化:
首先，将当前配置保存进config目录
然后，launch文件中 Rviz 的启动配置添加参数:args,值设置为-d 配置文件路径
<launch>
<param name="robot_description" textfile="$(find urdf01_rviz)/urdf/urdf/demo01_helloworld.urdf"/>
<node pkg="rviz" type="rviz" name= "rviz" args="-d $(find urdf01_rviz)/config/show_mycar.rviz"/>
launch>
再启动时，就可以包含之前的组件配置了，使用更方便快捷。
三、URDF语法详解
URDF 文件是一个标准的 XML 文件，在 ROS 中预定义了一系列的标签用于描述机器人模型，机器人模型可能较为复杂，但是 ROS 的 URDF 中机器人的组成却是较为简单，可以主要简化为两部分:连杆(link标签) 与 关节(joint标签)，接下来我们就通过案例了解一下 URDF 中的不同标签:
- robot 根标签，类似于 launch文件中的launch标签
- link 连杆标签
- joint 关节标签
- gazebo集成gazebo需要使用的标签
关于gazebo标签，后期在使用 gazebo 仿真时，才需要使用到，用于配置仿真环境所需参数，比如: 机器人材料属性、gazebo插件等，但是该标签不是机器人模型必须的，只有在仿真时才需设置。
1.URDF语法详解01_robot
robot
urdf 中为了保证 xml 语法的完整性，使用了robot标签作为根标签，所有的 link 和 joint 以及其他标签都必须包含在 robot 标签内,在该标签内可以通过 name 属性设置机器人模型的名称
- 属性
name: 指定机器人模型的名称 - 子标签 其他标签都是子级标签
2.URDF语法详解02_link
urdf 中的 link 标签用于描述机器人某个部件(也即刚体部分)的外观和物理属性，比如: 机器人底座、轮子、激光雷达、摄像头…每一个部件都对应一个 link, 在 link 标签内，可以设计该部件的形状、尺寸、颜色、惯性矩阵、碰撞参数等一系列属性。
- 属性
name —> 为连杆命名 - 子标签
- 案例
需求:分别生成长方体、圆柱与球体的机器人部件
urtf代码：
<robot name="mycar">
<link name="base_link">
<visual>
<geometry>
<mesh filename="package://urdf01_rviz/meshes/autolabor_mini.stl"/>
geometry>
<origin xyz="0 0 0" rpy="1.57 0 1.57" />
<material name="car_color" >
<color rgba="0 0 1 1" />
material>
visual>
link>
robot>
launch代码：
<launch>
<param name="robot_description" textfile="$(find urdf01_rviz)/urdf/urdf/demo02_link.urdf"/>
<node pkg="rviz" type="rviz" name= "rviz" args="-d $(find urdf01_rviz)/config/show_mycar.rviz"/>
launch>
编译保存
打开一个命令行：
source ./devel/setup.bash
roslaunch urdf01_rviz demo02_link.launch
3.URDF语法详解03_joint
joint
urdf 中的 joint 标签用于描述机器人关节的运动学和动力学属性，还可以指定关节运动的安全极限，机器人的两个部件(分别称之为 parent link 与 child link)以"关节"的形式相连接，不同的关节有不同的运动形式: 旋转、滑动、固定、旋转速度、旋转角度限制…,比如:安装在底座上的轮子可以360度旋转，而摄像头则可能是完全固定在底座上。
joint标签对应的数据在模型中是不可见的
- 属性
- 子标签
- 案例
准备：
打开一个命令行输入：rosrun joint_state_publisher_gui joint_state_publisher_gui
如若没有这个包，我的版本为ubuntu18.02 melodic
输入：sudo apt install ros-melodic-joint-state-publisher-gui
即可安装
需求:创建机器人模型，底盘为长方体，在长方体的前面添加一摄像头，摄像头可以沿着 Z 轴 360 度旋转。
URDF文件示例如下:
<robot name="mycar">
<link name="base_link">
<visual>
<geometry>
<box size="0.3 0.2 0.1"/>
geometry>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
<material name="car_color" >
<color rgba="0.8 0.5 0 0.5" />
material>
visual>
link>
<link name="camera">
<visual>
<geometry>
<box size="0.02 0.05 0.05"/>
geometry>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
<material name="camera_color" >
<color rgba="0 0 1 0.5" />
material>
visual>
link>
<joint name="camera2base" type="continuous">
<parent link="base_link" />
<child link="camera"/>
<origin xyz="0.12 0 0.075" rpy="0 0 0" />
<axis xyz="0 0 1" />
joint>
robot>
此处如果报错：
UnicodeEncodeError: 'ascii' codec can't encode characters in position 4-20: ordinal not in range(128)
解决:去除URDF中的中文注释
代码如下：
<robot name="mycar">
<link name="base_link">
<visual>
<geometry>
<box size="0.3 0.2 0.1"/>
geometry>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
<material name="car_color" >
<color rgba="0.8 0.5 0 0.5" />
material>
visual>
link>
<link name="camera">
<visual>
<geometry>
<box size="0.02 0.05 0.05"/>
geometry>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
<material name="camera_color" >
<color rgba="0 0 1 0.5" />
material>
visual>
link>
<joint name="camera2base" type="continuous">
<parent link="base_link" />
<child link="camera"/>
<origin xyz="0.12 0 0.075" rpy="0 0 0" />
<axis xyz="0 0 1" />
joint>
robot>
launch文件示例如下:
<launch>
<param name="robot_description" textfile="$(find urdf01_rviz)/urdf/urdf/demo03_joint.urdf"/>
<node pkg="rviz" type="rviz" name= "rviz" args="-d $(find urdf01_rviz)/config/show_mycar.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" />
<node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" />
launch>
打开一个命令行：
source ./devel/setup.bash
roslaunch urdf01_rviz demo03_joint.launch
- base_footprint优化urdf
前面实现的机器人模型是半沉到地下的，因为默认情况下:
底盘的中心点位于地图原点上，所以会导致这种情况产生，可以使用的优化策略，将初始 link 设置为一个尺寸极小的 link(比如半径为0.001m 的球体，或边长为 0.001m 的立方体)，然后再在初始 link 上添加底盘等刚体，这样实现，虽然仍然存在初始link半沉的现象，但是基本可以忽略了。这个初始 link一般称之base_footprintURDF文件示例如下:
<robot name="mycar">
<link name="base_footprint">
<visual>
<geometry>
<box size="0.001 0.001 0.001"/>
geometry>
visual>
link>
<link name="base_link">
<visual>
<geometry>
<box size="0.3 0.2 0.1"/>
geometry>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
<material name="car_color" >
<color rgba="0.8 0.5 0 0.5" />
material>
visual>
link>
<link name="camera">
<visual>
<geometry>
<box size="0.02 0.05 0.05"/>
geometry>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
<material name="camera_color" >
<color rgba="0 0 1 0.5" />
material>
visual>
link>
<joint name="link2footprint" type="fixed">
<parent link="base_footprint" />
<child link="base_link"/>
<origin xyz=" 0 0 0.05" rpy="0 0 0" />
joint>
<joint name="camera2base" type="continuous">
<parent link="base_link" />
<child link="camera"/>
<origin xyz="0.12 0 0.075" rpy="0 0 0" />
<axis xyz="0 0 1" />
joint>
robot>
此处如果报错：
UnicodeEncodeError: 'ascii' codec can't encode characters in position 4-20: ordinal not in range(128)
解决:去除URDF中的中文注释
代码如下：
<robot name="mycar">
<link name="base_footprint">
<visual>
<geometry>
<box size="0.001 0.001 0.001"/>
geometry>
visual>
link>
<link name="base_link">
<visual>
<geometry>
<box size="0.3 0.2 0.1"/>
geometry>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
<material name="car_color" >
<color rgba="0.8 0.5 0 0.5" />
material>
visual>
link>
<link name="camera">
<visual>
<geometry>
<box size="0.02 0.05 0.05"/>
geometry>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
<material name="camera_color" >
<color rgba="0 0 1 0.5" />
material>
visual>
link>
<joint name="link2footprint" type="fixed">
<parent link="base_footprint" />
<child link="base_link"/>
<origin xyz=" 0 0 0.05" rpy="0 0 0" />
joint>
<joint name="camera2base" type="continuous">
<parent link="base_link" />
<child link="camera"/>
<origin xyz="0.12 0 0.075" rpy="0 0 0" />
<axis xyz="0 0 1" />
joint>
robot>
launch文件示例如下:
<launch>
<param name="robot_description" textfile="$(find urdf01_rviz)/urdf/urdf/demo04_base_footprint.urdf"/>
<node pkg="rviz" type="rviz" name= "rviz" args="-d $(find urdf01_rviz)/config/show_mycar.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>
打开一个命令行：
source ./devel/setup.bash
roslaunch urdf01_rviz demo04_base_footprint.launch
4.URDF练习
需求描述:
创建一个四轮圆柱状机器人模型，机器人参数如下,底盘为圆柱状，半径 10cm，高 8cm，四轮由两个驱动轮和两个万向支撑轮组成，两个驱动轮半径为 3.25cm,轮胎宽度1.5cm，两个万向轮为球状，半径 0.75cm，底盘离地间距为 1.5cm(与万向轮直径一致)
实现流程:
- 创建机器人模型可以分步骤实现
- 新建 urdf 文件，并与 launch 文件集成
- 搭建底盘
- 在底盘上添加两个驱动轮
- 在底盘上添加两个万向轮
URDF代码如下：
<robot name="mycar">
<link name="base_footprint">
<visual>
<geometry>
<sphere radius="0.001" />
geometry>
visual>
link>
<link name="base_link">
<visual>
<geometry>
<cylinder radius="0.1" length="0.08" />
geometry>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
<material name="baselink_color">
<color rgba="1 0.5 0.2 0.5" />
material>
visual>
link>
<joint name="link2footprint" type="fixed" >
<parent link="base_footprint" />
<child link="base_link" />
<origin xyz="0 0 0.055" rpy="0 0 0" />
joint>
<link name="left_wheel">
<visual>
<geometry>
<cylinder radius="0.0325" length="0.015" />
geometry>
<origin xyz="0 0 0" rpy="1.5708 0 0" />
<material name="left_wheel">
<color rgba="0 0 0 0.3" />
material>
visual>
link>
<link name="right_wheel">
<visual>
<geometry>
<cylinder radius="0.0325" length="0.015" />
geometry>
<origin xyz="0 0 0" rpy="1.5708 0 0" />
<material name="right_wheel">
<color rgba="0 0 0 0.3" />
material>
visual>
link>
<joint name="left2link" type="continuous" >
<parent link="base_link" />
<child link="left_wheel" />
<origin xyz="0 0.1 -0.0225" rpy="0 0 0" />
<axis xyz="0 1 0" />
joint>
<joint name="right2link" type="continuous" >
<parent link="base_link" />
<child link="right_wheel" />
<origin xyz="0 -0.1 -0.0225" rpy="0 0 0" />
<axis xyz="0 1 0" />
joint>
<link name="front_wheel">
<visual>
<geometry>
<sphere radius="0.0075" />
geometry>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
<material name="front_wheel">
<color rgba="0 0 0 0.3" />
material>
visual>
link>
<link name="back_wheel">
<visual>
<geometry>
<sphere radius="0.0075" />
geometry>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
<material name="back_wheel">
<color rgba="0 0 0 0.3" />
material>
visual>
link>
<joint name="front2link" type="continuous" >
<parent link="base_link" />
<child link="front_wheel" />
<origin xyz="0.08 0 -0.0475" rpy="0 0 0" />
<axis xyz="0 1 0" />
joint>
<joint name="back2link" type="continuous" >
<parent link="base_link" />
<child link="back_wheel" />
<origin xyz="-0.08 0 -0.0475" rpy="0 0 0" />
<axis xyz="0 1 0" />
joint>
robot>
此处如果报错：
UnicodeEncodeError: 'ascii' codec can't encode characters in position 4-20: ordinal not in range(128)
解决:去除URDF中的中文注释
代码如下：
<robot name="mycar">
<link name="base_footprint">
<visual>
<geometry>
<sphere radius="0.001" />
geometry>
visual>
link>
<link name="base_link">
<visual>
<geometry>
<cylinder radius="0.1" length="0.08" />
geometry>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
<material name="baselink_color">
<color rgba="1 0.5 0.2 0.5" />
material>
visual>
link>
<joint name="link2footprint" type="fixed" >
<parent link="base_footprint" />
<child link="base_link" />
<origin xyz="0 0 0.055" rpy="0 0 0" />
joint>
<link name="left_wheel">
<visual>
<geometry>
<cylinder radius="0.0325" length="0.015" />
geometry>
<origin xyz="0 0 0" rpy="1.5708 0 0" />
<material name="left_wheel">
<color rgba="0 0 0 0.3" />
material>
visual>
link>
<link name="right_wheel">
<visual>
<geometry>
<cylinder radius="0.0325" length="0.015" />
geometry>
<origin xyz="0 0 0" rpy="1.5708 0 0" />
<material name="right_wheel">
<color rgba="0 0 0 0.3" />
material>
visual>
link>
<joint name="left2link" type="continuous" >
<parent link="base_link" />
<child link="left_wheel" />
<origin xyz="0 0.1 -0.0225" rpy="0 0 0" />
<axis xyz="0 1 0" />
joint>
<joint name="right2link" type="continuous" >
<parent link="base_link" />
<child link="right_wheel" />
<origin xyz="0 -0.1 -0.0225" rpy="0 0 0" />
<axis xyz="0 1 0" />
joint>
<link name="front_wheel">
<visual>
<geometry>
<sphere radius="0.0075" />
geometry>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
<material name="front_wheel">
<color rgba="0 0 0 0.3" />
material>
visual>
link>
<link name="back_wheel">
<visual>
<geometry>
<sphere radius="0.0075" />
geometry>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
<material name="back_wheel">
<color rgba="0 0 0 0.3" />
material>
visual>
link>
<joint name="front2link" type="continuous" >
<parent link="base_link" />
<child link="front_wheel" />
<origin xyz="0.08 0 -0.0475" rpy="0 0 0" />
<axis xyz="0 1 0" />
joint>
<joint name="back2link" type="continuous" >
<parent link="base_link" />
<child link="back_wheel" />
<origin xyz="-0.08 0 -0.0475" rpy="0 0 0" />
<axis xyz="0 1 0" />
joint>
robot>
launch文件示例如下:
<launch>
<param name="robot_description" textfile="$(find urdf01_rviz)/urdf/urdf/demo05_test.urdf" />
<node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf01_rviz)/config/show_mycar.rviz" />
<node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher" />
<node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" />
<node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" />
launch>
打开一个命令行：
source ./devel/setup.bash
roslaunch urdf01_rviz demo05_test.launch
5.URDF工具
在 ROS 中，提供了一些工具来方便 URDF 文件的编写，比如:
check_urdf命令可以检查复杂的 urdf 文件是否存在语法问题
urdf_to_graphiz命令可以查看 urdf 模型结构，显示不同 link 的层级关系
当然，要使用工具之前，首先需要安装，安装命令:sudo apt install liburdfdom-tools
打开一个命令行：：
cd workspace/src/urdf01_rviz/urdf/urdf
check_urdf demo05_test.urdf
输出：
robot name is: mycar
---------- Successfully Parsed XML ---------------
root Link: base_footprint has 1 child(ren)
child(1): base_link
child(1): back_wheel
child(2): front_wheel
child(3): left_wheel
child(4): right_wheel
打开一个命令行：：
urdf_to_graphiz demo05_test.urdf
evince mycar.pdf
四、URDF优化_xacro
前面 URDF 文件构建机器人模型的过程中，存在若干问题。
问题1：计算难度
问题2：代码复用性差
如果在编程语言中，可以通过变量结合函数直接解决上述问题，在 ROS 中，已经给出了类似编程的优化方案，称之为:Xacro
概念
Xacro 是 XML Macros 的缩写，Xacro 是一种 XML 宏语言，是可编程的 XML。
原理
Xacro 可以声明变量，可以通过数学运算求解，使用流程控制控制执行顺序，还可以通过类似函数的实现，封装固定的逻辑，将逻辑中需要的可变的数据以参数的方式暴露出去，从而提高代码复用率以及程序的安全性。
作用
较之于纯粹的 URDF 实现，可以编写更安全、精简、易读性更强的机器人模型文件，且可以提高编写效率。
1.Xacro_快速体验
目的:简单了解 xacro 的基本语法。
需求描述:
使用xacro优化上一节案例中驱动轮实现，需要使用变量封装底盘的半径、高度，使用数学公式动态计算底盘的关节点坐标，使用 Xacro 宏封装轮子重复的代码并调用宏创建两个轮子(注意: 在此，演示 Xacro 的基本使用，不必要生成合法的 URDF )。
准备:
创建功能包，导入 urdf 与 xacro。
1.Xacro文件编写
编写 Xacro 文件，以变量的方式封装属性(常量半径、高度、车轮半径…)，以函数的方式封装重复实现(车轮的添加)。
代码如下：
<robot name="mycar" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
<xacro:property name="wheel_radius" value="0.0325" />
<xacro:property name="wheel_length" value="0.0015" />
<xacro:property name="PI" value="3.1415927" />
<xacro:property name="base_link_length" value="0.08" />
<xacro:property name="lidi_space" value="0.015" />
<xacro:macro name="wheel_func" params="wheel_name flag" >
<link name="${wheel_name}_wheel">
<visual>
<geometry>
<cylinder radius="${wheel_radius}" length="${wheel_length}" />
geometry>
<origin xyz="0 0 0" rpy="${PI / 2} 0 0" />
<material name="wheel_color">
<color rgba="0 0 0 0.3" />
material>
visual>
link>
<joint name="${wheel_name}2link" type="continuous">
<parent link="base_link" />
<child link="${wheel_name}_wheel" />
<origin xyz="0 ${0.1 * flag} ${(base_link_length / 2 + lidi_space - wheel_radius) * -1}" rpy="0 0 0" />
<axis xyz="0 1 0" />
joint>
xacro:macro>
<xacro:wheel_func wheel_name="left" flag="1" />
<xacro:wheel_func wheel_name="right" flag="-1" />
robot>
打开一个命令行：
cd workspace/src/urdf01_rviz/urdf/xacro
rosrun xacro xacro demo01_helloworld.urdf.xacro > demo01_helloworld.urdf
生成的文件代码如下：
<robot name="mycar">
<link name="left_wheel">
<visual>
<geometry>
<cylinder length="0.0015" radius="0.0325"/>
geometry>
<origin rpy="1.57079635 0 0" xyz="0 0 0"/>
<material name="wheel_color">
<color rgba="0 0 0 0.3"/>
material>
visual>
link>
<joint name="left2link" type="continuous">
<parent link="base_link"/>
<child link="left_wheel"/>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0 0.1 -0.0225"/>
<axis xyz="0 1 0"/>
joint>
<link name="right_wheel">
<visual>
<geometry>
<cylinder length="0.0015" radius="0.0325"/>
geometry>
<origin rpy="1.57079635 0 0" xyz="0 0 0"/>
<material name="wheel_color">
<color rgba="0 0 0 0.3"/>
material>
visual>
link>
<joint name="right2link" type="continuous">
<parent link="base_link"/>
<child link="right_wheel"/>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0 -0.1 -0.0225"/>
<axis xyz="0 1 0"/>
joint>
robot>
2.Xacro_语法详解
xacro 提供了可编程接口，类似于计算机语言，包括变量声明调用、函数声明与调用等语法实现。在使用 xacro 生成 urdf 时，根标签robot中必须包含命名空间声明:xmlns:xacro=“http://wiki.ros.org/xacro”
- 属性与算数运算
用于封装 URDF 中的一些字段，比如: PAI 值，小车的尺寸，轮子半径 …
属性定义
属性调用${属性名称}
算数运算${数学表达式}
代码如下：
<robot name="mycar" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
<xacro:property name="PI" value="3.1415927" />
<xacro:property name="radius" value="0.03" />
<myuse name="${PI}" />
<myuse name="${radius}" />
<myuse result="${PI/2}" />
<myuse result="${radius*2}" />
robot>
打开一个命令行：
cd workspace/src/urdf01_rviz/urdf/xacro
rosrun xacro xacro demo02_field.urdf.xacro
输出：
<robot name="mycar">
<myuse name="3.1415927"/>
<myuse name="0.03"/>
<myuse result="1.57079635"/>
<myuse result="0.06"/>
robot>
- 宏
类似于函数实现，提高代码复用率，优化代码结构，提高安全性
宏定义
<xacro:macro name="宏名称" params="参数列表(多参数之间使用空格分隔)">
.....
参数调用格式: ${参数名}
xacro:macro>
宏调用
<xacro:宏名称 参数1=xxx 参数2=xxx/>
代码如下：
<robot name="mycar" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
<xacro:macro name="getSun" params="num1 num2">
<result value="${num1+num2}" />
xacro:macro>
<xacro:getSun num1="1" num2="5" />
robot>
打开一个命令行：
cd workspace/src/urdf01_rviz/urdf/xacro
rosrun xacro xacro demo03_macro.urdf.xacro
输出：
<robot name="mycar">
<result value="6"/>
robot>
- 文件包含
机器人由多部件组成，不同部件可能封装为单独的 xacro 文件，最后再将不同的文件集成，组合为完整机器人，可以使用文件包含实现
代码如下：
<robot name="mycar" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
<xacro:include filename="demo02_field.urdf.xacro" />
<xacro:include filename="demo03_macro.urdf.xacro" />
robot>
输出：
<robot name="mycar">
<myuse name="3.1415927"/>
<myuse name="0.03"/>
<myuse result="1.57079635"/>
<myuse result="0.06"/>
<result value="6"/>
robot>
3.Xacro_完整使用流程示例
需求描述:
使用 Xacro 优化 URDF 版的小车底盘模型实现
1.编写 Xacro 文件
<robot name="mycar" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
<xacro:property name="footprint_radius" value="0.001" />
<link name="base_footprint">
<visual>
<geometry>
<sphere radius="${footprint_radius}" />
geometry>
visual>
link>
<xacro:property name="base_radius" value="0.1" />
<xacro:property name="base_length" value="0.08" />
<xacro:property name="base_lidijianju" value="0.015" />
<xacro:property name="base_joint_z" value="${base_length/2+base_lidijianju}" />
<link name="base_link">
<visual>
<geometry>
<cylinder radius="${base_radius}" length="${base_length}" />
geometry>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
<material name="baselink_color">
<color rgba="1 0.5 0.2 0.5" />
material>
visual>
link>
<joint name="link2footprint" type="fixed" >
<parent link="base_footprint" />
<child link="base_link" />
<origin xyz="0 0 ${base_joint_z}" rpy="0 0 0" />
joint>
<xacro:property name="wheel_radius" value="0.0325" />
<xacro:property name="wheel_length" value="0.015" />
<xacro:property name="PI" value="3.1415927" />
<xacro:property name="wheel_joint_z" value="${wheel_radius-base_joint_z}" />
<xacro:macro name="wheel_func" params="wheel_name flag">
<link name="${wheel_name}_wheel">
<visual>
<geometry>
<cylinder radius="${wheel_radius}" length="${wheel_length}" />
geometry>
<origin xyz="0 0 0" rpy="${PI/2} 0 0" />
<material name="${wheel_name}_wheel">
<color rgba="0 0 0 0.3" />
material>
visual>
link>
<joint name="${wheel_name}2link" type="continuous" >
<parent link="base_link" />
<child link="${wheel_name}_wheel" />
<origin xyz="0 ${flag*0.1} ${wheel_joint_z}" rpy="0 0 0" />
<axis xyz="0 1 0" />
joint>
xacro:macro>
<xacro:wheel_func wheel_name="left" flag="1" />
<xacro:wheel_func wheel_name="right" flag="-1" />
<xacro:property name="small_wheel_radius" value="0.0075" />
<xacro:property name="small_wheel_z" value="${small_wheel_radius-base_joint_z}" />
<xacro:macro name="small_wheel_func" params="small_wheel_name flag" >
<link name="${small_wheel_name}_wheel">
<visual>
<geometry>
<sphere radius="${small_wheel_radius}" />
geometry>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
<material name="${small_wheel_name}_wheel">
<color rgba="0 0 0 0.3" />
material>
visual>
link>
<joint name="${small_wheel_name}2link" type="continuous" >
<parent link="base_link" />
<child link="${small_wheel_name}_wheel" />
<origin xyz="${flag*0.08} 0 ${small_wheel_z}" rpy="0 0 0" />
<axis xyz="0 1 0" />
joint>
xacro:macro>
<xacro:small_wheel_func small_wheel_name="front" flag="1" />
<xacro:small_wheel_func small_wheel_name="back" flag="-1" />
robot>
编译运行
打开一个命令行：
cd workspace/src/urdf01_rviz/urdf/xacro/
rosrun xacro xacro demo05_car_base.urdf.xacro > demo05_car_base.urdf
打开demo05_car_base.urdf，消除中间的中文注释：
<robot name="mycar">
<link name="base_footprint">
<visual>
<geometry>
<sphere radius="0.001"/>
geometry>
visual>
link>
<link name="base_link">
<visual>
<geometry>
<cylinder length="0.08" radius="0.1"/>
geometry>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/>
<material name="baselink_color">
<color rgba="1 0.5 0.2 0.5"/>
material>
visual>
link>
<joint name="link2footprint" type="fixed">
<parent link="base_footprint"/>
<child link="base_link"/>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0.055"/>
joint>
<link name="left_wheel">
<visual>
<geometry>
<cylinder length="0.015" radius="0.0325"/>
geometry>
<origin rpy="1.57079635 0 0" xyz="0 0 0"/>
<material name="left_wheel">
<color rgba="0 0 0 0.3"/>
material>
visual>
link>
<joint name="left2link" type="continuous">
<parent link="base_link"/>
<child link="left_wheel"/>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0 0.1 -0.0225"/>
<axis xyz="0 1 0"/>
joint>
<link name="right_wheel">
<visual>
<geometry>
<cylinder length="0.015" radius="0.0325"/>
geometry>
<origin rpy="1.57079635 0 0" xyz="0 0 0"/>
<material name="right_wheel">
<color rgba="0 0 0 0.3"/>
material>
visual>
link>
<joint name="right2link" type="continuous">
<parent link="base_link"/>
<child link="right_wheel"/>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0 -0.1 -0.0225"/>
<axis xyz="0 1 0"/>
joint>
<link name="front_wheel">
<visual>
<geometry>
<sphere radius="0.0075"/>
geometry>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/>
<material name="front_wheel">
<color rgba="0 0 0 0.3"/>
material>
visual>
link>
<joint name="front2link" type="continuous">
<parent link="base_link"/>
<child link="front_wheel"/>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0.08 0 -0.0475"/>
<axis xyz="0 1 0"/>
joint>
<link name="back_wheel">
<visual>
<geometry>
<sphere radius="0.0075"/>
geometry>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/>
<material name="back_wheel">
<color rgba="0 0 0 0.3"/>
material>
visual>
link>
<joint name="back2link" type="continuous">
<parent link="base_link"/>
<child link="back_wheel"/>
<origin rpy="0 0 0" xyz="-0.08 0 -0.0475"/>
<axis xyz="0 1 0"/>
joint>
robot>
launch文件代码如下：
<launch>
<param name="robot_description" textfile="$(find urdf01_rviz)/urdf/xacro/demo05_car_base.urdf" />
<node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf01_rviz)/config/show_mycar.rviz" />
<node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher" />
<node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" />
<node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" />
launch>
打开一个命令行：
cd workspace
roslaunch urdf01_rviz demo06_car_base.launch
4.Xacro_实操
需求描述:
在前面小车底盘基础之上，添加摄像头和雷达传感器。
实现分析:
机器人模型由多部件组成，可以将不同组件设置进单独文件，最终通过文件包含实现组件的拼装。
实现流程:
- 首先编写摄像头和雷达的 xacro 文件
- 然后再编写一个组合文件，组合底盘、摄像头与雷达
- 最后，通过 launch 文件启动 Rviz
并显示模型
- 摄像头和雷达 Xacro 文件实现
摄像头 xacro 文件:
<robot name="mycar" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
<xacro:property name="camera_length" value="0.02" />
<xacro:property name="camera_width" value="0.05" />
<xacro:property name="camera_height" value="0.05" />
<xacro:property name="joint_camera_x" value="0.08" />
<xacro:property name="joint_camera_y" value="0" />
<xacro:property name="joint_camera_z" value="${(camera_height+base_length)/2}" />
<link name="camera">
<visual>
<geometry>
<box size="${camera_length} ${camera_width} ${camera_height}" />
geometry>
<material name="black">
<color rgba="0 0 0 0.8" />
material>
visual>
link>
<joint name="camera2base" type="fixed">
<parent link="base_link" />
<child link="camera" />
<origin xyz="${joint_camera_x} ${joint_camera_y} ${joint_camera_z}" rpy="0 0 0" />
joint>
robot>
雷达 xacro 文件:
<robot name="mycar" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
<xacro:property name="support_radius" value="0.01" />
<xacro:property name="support_length" value="0.15" />
<xacro:property name="laser_length" value="0.05" />
<xacro:property name="laser_radius" value="0.03" />
<xacro:property name="joint_support_x" value="0.0" />
<xacro:property name="joint_support_y" value="0.0" />
<xacro:property name="joint_support_z" value="${base_length / 2 + support_length / 2}" />
<xacro:property name="joint_laser_x" value="0.0" />
<xacro:property name="joint_laser_y" value="0.0" />
<xacro:property name="joint_laser_z" value="${support_length / 2 + laser_length / 2}" />
<link name="support">
<visual>
<geometry>
<cylinder radius="${support_radius}" length="${support_length}" />
geometry>
<material name="yellow">
<color rgba="0.8 0.5 0.0 0.5" />
material>
visual>
link>
<joint name="support2base" type="fixed">
<parent link="base_link" />
<child link="support" />
<origin xyz="${joint_support_x} ${joint_support_y} ${joint_support_z}" rpy="0 0 0" />
joint>
<link name="laser">
<visual>
<geometry>
<cylinder radius="${laser_radius}" length="${laser_length}" />
geometry>
<material name="black">
<color rgba="0 0 0 0.5" />
material>
visual>
link>
<joint name="laser2support" type="fixed">
<parent link="support" />
<child link="laser" />
<origin xyz="${joint_laser_x} ${joint_laser_y} ${joint_laser_z}" rpy="0 0 0" />
joint>
robot>
- 组合底盘摄像头与雷达的 xacro 文件
<robot name="mycar" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
<xacro:include filename="demo05_car_base.urdf.xacro" />
<xacro:include filename="demo06_car_camera.urdf.xacro" />
<xacro:include filename="demo07_car_laser.urdf.xacro" />
robot>
打开一个命令行：
cd src/urdf01_rviz/urdf/xacro/
rosrun xacro xacro car.urdf.xacro > car.urdf
打开car.urdf，消除中间的中文注释：
<robot name="mycar">
<link name="base_footprint">
<visual>
<geometry>
<sphere radius="0.001"/>
geometry>
visual>
link>
<link name="base_link">
<visual>
<geometry>
<cylinder length="0.08" radius="0.1"/>
geometry>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/>
<material name="baselink_color">
<color rgba="1 0.5 0.2 0.5"/>
material>
visual>
link>
<joint name="link2footprint" type="fixed">
<parent link="base_footprint"/>
<child link="base_link"/>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0.055"/>
joint>
<link name="left_wheel">
<visual>
<geometry>
<cylinder length="0.015" radius="0.0325"/>
geometry>
<origin rpy="1.57079635 0 0" xyz="0 0 0"/>
<material name="left_wheel">
<color rgba="0 0 0 0.3"/>
material>
visual>
link>
<joint name="left2link" type="continuous">
<parent link="base_link"/>
<child link="left_wheel"/>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0 0.1 -0.0225"/>
<axis xyz="0 1 0"/>
joint>
<link name="right_wheel">
<visual>
<geometry>
<cylinder length="0.015" radius="0.0325"/>
geometry>
<origin rpy="1.57079635 0 0" xyz="0 0 0"/>
<material name="right_wheel">
<color rgba="0 0 0 0.3"/>
material>
visual>
link>
<joint name="right2link" type="continuous">
<parent link="base_link"/>
<child link="right_wheel"/>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0 -0.1 -0.0225"/>
<axis xyz="0 1 0"/>
joint>
<link name="front_wheel">
<visual>
<geometry>
<sphere radius="0.0075"/>
geometry>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/>
<material name="front_wheel">
<color rgba="0 0 0 0.3"/>
material>
visual>
link>
<joint name="front2link" type="continuous">
<parent link="base_link"/>
<child link="front_wheel"/>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0.08 0 -0.0475"/>
<axis xyz="0 1 0"/>
joint>
<link name="back_wheel">
<visual>
<geometry>
<sphere radius="0.0075"/>
geometry>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/>
<material name="back_wheel">
<color rgba="0 0 0 0.3"/>
material>
visual>
link>
<joint name="back2link" type="continuous">
<parent link="base_link"/>
<child link="back_wheel"/>
<origin rpy="0 0 0" xyz="-0.08 0 -0.0475"/>
<axis xyz="0 1 0"/>
joint>
<link name="camera">
<visual>
<geometry>
<box size="0.02 0.05 0.05"/>
geometry>
<material name="black">
<color rgba="0 0 0 0.8"/>
material>
visual>
link>
<joint name="camera2base" type="fixed">
<parent link="base_link"/>
<child link="camera"/>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0.08 0 0.065"/>
joint>
<link name="support">
<visual>
<geometry>
<cylinder length="0.15" radius="0.01"/>
geometry>
<material name="yellow">
<color rgba="0.8 0.5 0.0 0.5"/>
material>
visual>
link>
<joint name="support2base" type="fixed">
<parent link="base_link"/>
<child link="support"/>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0.0 0.0 0.115"/>
joint>
<link name="laser">
<visual>
<geometry>
<cylinder length="0.05" radius="0.03"/>
geometry>
<material name="black">
<color rgba="0 0 0 0.5"/>
material>
visual>
link>
<joint name="laser2support" type="fixed">
<parent link="support"/>
<child link="laser"/>
<origin rpy="0 0 0" xyz="0.0 0.0 0.1"/>
joint>
robot>
launch文件代码如下：
<launch>
<param name="robot_description" textfile="$(find urdf01_rviz)/urdf/xacro/car.urdf" />
<node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf01_rviz)/config/show_mycar.rviz" />
<node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher" />
<node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" />
<node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" />
launch>
打开一个命令行：
cd workspace
roslaunch urdf01_rviz car.launch
五、Rviz中控制机器人模型运动
通过 URDF 结合 rviz 可以创建并显示机器人模型，不过，当前实现的只是静态模型，如何控制模型的运动呢？在此，可以调用 Arbotix 实现此功能。
Arbotix:Arbotix 是一款控制电机、舵机的控制板，并提供相应的 ros 功能包，这个功能包的功能不仅可以驱动真实的 Arbotix 控制板，它还提供一个差速控制器，通过接受速度控制指令更新机器人的 joint 状态，从而帮助我们实现机器人在 rviz 中的运动。
这个差速控制器在 arbotix_python 程序包中，完整的 arbotix 程序包还包括多种控制器，分别对应 dynamixel 电机、多关节机械臂以及不同形状的夹持器。
1.Arbotix使用流程
接下来，通过一个案例演示 arbotix 的使用。
需求描述:
控制机器人模型在 rviz 中做圆周运动
实现流程:
- 安装 Arbotix
- 创建新功能包，准备机器人 urdf、xacro 文件
- 添加 Arbotix 配置文件
- 编写 launch 文件配置Arbotix
- 启动 launch 文件并控制机器人模型运动
- 安装 Arbotix,我的版本是ubuntu18.04，melodic
sudo apt-get install ros-melodic-arbotix
- 添加 arbotix 所需的配置文件 ymal
添加 arbotix 所需配置文件
代码如下：
# 该文件是控制器配置,一个机器人模型可能有多个控制器，比如: 底盘、机械臂、夹持器(机械手)....
# 因此，根 name 是 controller
controllers: {
# 单控制器设置
base_controller: {
#类型: 差速控制器
type: diff_controller,
#参考坐标
base_frame_id: base_footprint,
#两个轮子之间的间距
base_width: 0.2,
#控制频率
ticks_meter: 2000,
#PID控制参数，使机器人车轮快速达到预期速度
Kp: 12,
Kd: 12,
Ki: 0,
Ko: 50,
#加速限制
accel_limit: 1.0
}
}
- launch 文件中配置 arbotix 节点
launch 示例代码
<launch>
<param name="robot_description" textfile="$(find urdf01_rviz)/urdf/xacro/car.urdf" />
<node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf01_rviz)/config/show_mycar.rviz" />
<node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher" />
<node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" />
<node pkg="arbotix_python" type="arbotix_driver" name="driver" output="screen" >
<rosparam command="load" file="$(find urdf01_rviz)/config/control.yaml" />
<param name="sim" value="true" />
node>
launch>
打开一个命令行：
cd workspace
source ./devel/setup.bash
roslaunch urdf01_rviz demo07_control.launch
打开一个命令行：
cd workspace
source ./devel/setup.bash
rostopic list
输出：
/clicked_point
/cmd_vel
/diagnostics
/initialpose
/joint_states
/move_base_simple/goal
/odom
/rosout
/rosout_agg
/tf
/tf_static
也就说我们可以发布 cmd_vel 话题消息控制小车运动了，该实现策略有多种，可以另行编写节点，或者更简单些可以直接通过如下命令发布消息:（tab补齐）
rostopic pub -r 10 /cmd_vel geometry_msgs/Twist "linear:
x: 1.0
y: 0.0
z: 0.0
angular:
x: 0.0
y: 0.0
z: 1.0"
总结
以上就是今天要讲的内容，本文仅仅简单记录了ROS的机器人系统仿真（URDF相关），如果有问题请在博客下留言或者咨询邮箱：[email protected]。