【ROS入门】机器人系统仿真——相关组件以及URDF集成Rviz

相关组件

URDF(Unified Robot Description Format)——创建机器人模型

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。

Gazebo——搭建仿真环境

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。

Rviz(ROS Visualization Tool)——显示机器人各种传感器感知到的环境信息

ROS的三维可视化工具，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。

三者应用中，只是创建 URDF 意义不大，一般需要结合 Gazebo 或 Rviz 使用，在 Gazebo 或 Rviz 中可以将 URDF 文件解析为图形化的机器人模型，一般的使用组合为：

• 如果非仿真环境，那么使用 URDF 结合 Rviz 直接显示感知的真实环境信息
• 如果是仿真环境，那么需要使用 URDF 结合 Gazebo 搭建仿真环境，并结合 Rviz 显示感知的虚拟环境信息

URDF集成Rviz

URDF相关语法

robot

robot 标签是根标签，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

link

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。该标签对应的数据在模型中是可见的。

属性：

• name：为连杆命名

子标签：

• visual：描述外观

  • geometry 设置连杆的形状

    • box 盒状
      属性：size=长(x) 宽(y) 高(z)
    • cylinder 圆柱
      属性:radius=半径 length=高度
    • sphere 球体
      属性:radius=半径
    • mesh 为连杆添加皮肤
      属性: filename=资源路径（格式：package://packagename/path/文件）

  • origin 设置偏移量与倾斜弧度

    • xyz=x偏移 y偏移 z偏移
    • rpy=x翻滚 y俯仰 z偏航 (右手系，单位是弧度)

  • metrial 设置材料属性(颜色)

    • 属性: name
    • 标签: color
      • 属性: rgba=红绿蓝权重值与透明度 (每个权重值以及透明度取值[0,1])
• collision：连杆的碰撞属性（用于Gazebo）
• Inertial：连杆的惯性矩阵（用于Gazebo）

举例：

    <link name="base_link">
        <visual>
            
            <geometry>
                
                
                
                
                
                
            geometry>
            
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            
            <material name="black">
                <color rgba="0.7 0.5 0 0.5" />
            material>
        visual>
    link>

joint

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、旋转角度限制等。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。该标签对应的数据在模型中是不可见的。

属性：

• name：关节名称

• type：关节运动形式

  • continuous：旋转关节，可以绕单轴无限旋转

  • revolute：旋转关节，类似于 continues,但是有旋转角度限制

  • prismatic：滑动关节，沿某一轴线移动的关节，有位置极限

  • planer：平面关节，允许在平面正交方向上平移或旋转

  • floating：浮动关节，允许进行平移、旋转运动

  • fixed：固定关节，不允许运动的特殊关节

子标签：

• parent(必需的)
  属性：link=（强制）父级连杆的名字，是这个link在机器人结构树中的名字。
• child(必需的)
  属性：link=（强制）子级连杆的名字，是这个link在机器人结构树中的名字。
• origin
  属性：xyz=各轴线上的偏移量 rpy=各轴线上的偏移弧度。
• axis
  属性: xyz用于设置围绕哪个关节轴运动。

举例：

<robot name="mycar">
    
    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.5 0.2 0.1" />
            geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="blue">
                <color rgba="0 0 1.0 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="red">
                <color rgba="1 0 0 0.5" />
            material>
        visual>
    link>

    
    <joint name="camera2baselink" type="continuous">
    	
        <parent link="base_link"/>
        
        <child link="camera" />
        
        <origin xyz="0.2 0 0.075" rpy="0 0 0" />
        <axis xyz="0 0 1" />
    joint>
robot>

URDF优化——xacro

Xacro 是一种 XML 宏语言，是可编程的 XML。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。

简单来说，就是xacro可以帮你以类似函数的形式来封装代码和参数，以便复用。

相关语法

属性与算数运算

属性定义：

<xacro:property name="xxxx" value="yyyy" />

属性调用：

${属性名称}

算术运算：

${数学表达式}

宏

类似于函数实现

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/>

文件包含

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

实操

实现流程：

1. 创建一个新的功能包，名称自定义，导入依赖包：urdf 与 xacro

2. 首先编写摄像头和雷达的 xacro 文件

3. 然后再编写一个组合文件，组合底盘、摄像头与雷达

4. 最后，通过 launch 文件启动 Rviz 并显示模型

底盘、摄像头和雷达Xacro文件实现

底盘xacro文件：my_base.urdf.xacro

<robot name="my_base" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro">
    
    <xacro:property name="PI" value="3.141"/>
    
    <material name="black">
        <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
    material>
    
    <xacro:property name="base_footprint_radius" value="0.001" /> 
    <xacro:property name="base_link_radius" value="0.1" /> 
    <xacro:property name="base_link_length" value="0.08" /> 
    <xacro:property name="earth_space" value="0.015" /> 

    
    <link name="base_footprint">
      <visual>
        <geometry>
          
          <sphere radius="${base_footprint_radius}" />
        geometry>
      visual>
    link>

    <link name="base_link">
      <visual>
        <geometry>
          <cylinder radius="${base_link_radius}" length="${base_link_length}" />
        geometry>
        <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
        <material name="yellow">
          <color rgba="0.5 0.3 0.0 0.5" />
        material>
      visual>
    link>

    <joint name="base_link2base_footprint" type="fixed">
      <parent link="base_footprint" />
      <child link="base_link" />
      <origin xyz="0 0 ${earth_space + base_link_length / 2 }" />
    joint>

    
    
    <xacro:property name="wheel_radius" value="0.0325" />
    <xacro:property name="wheel_length" value="0.015" />
    
    <xacro:macro name="add_wheels" params="name flag">
      <link name="${name}_wheel">
        <visual>
          <geometry>
            <cylinder radius="${wheel_radius}" length="${wheel_length}" />
          geometry>
          <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="${PI / 2} 0.0 0.0" />
          <material name="black" />
        visual>
      link>

      <joint name="${name}_wheel2base_link" type="continuous">
        <parent link="base_link" />
        <child link="${name}_wheel" />
        <origin xyz="0 ${flag * base_link_radius} ${-(earth_space + base_link_length / 2 - wheel_radius) }" />
        <axis xyz="0 1 0" />
      joint>
    xacro:macro>
    <xacro:add_wheels name="left" flag="1" />
    <xacro:add_wheels name="right" flag="-1" />
    
    
    <xacro:property name="support_wheel_radius" value="0.0075" /> 

    
    <xacro:macro name="add_support_wheel" params="name flag" >
      <link name="${name}_wheel">
        <visual>
            <geometry>
                <sphere radius="${support_wheel_radius}" />
            geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="black" />
        visual>
      link>

      <joint name="${name}_wheel2base_link" type="continuous">
          <parent link="base_link" />
          <child link="${name}_wheel" />
          <origin xyz="${flag * (base_link_radius - support_wheel_radius)} 0 ${-(base_link_length / 2 + earth_space / 2)}" />
          <axis xyz="1 1 1" />
      joint>
    xacro:macro>
	
	
    <xacro:add_support_wheel name="front" flag="1" />
    <xacro:add_support_wheel name="back" flag="-1" />

robot>

摄像头xacro文件：my_camera.urdf.xacro

<robot name="my_camera" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
    
    <xacro:property name="camera_length" value="0.01" /> 
    <xacro:property name="camera_width" value="0.025" /> 
    <xacro:property name="camera_height" value="0.025" /> 
    <xacro:property name="camera_x" value="0.08" /> 
    <xacro:property name="camera_y" value="0.0" /> 
    <xacro:property name="camera_z" value="${base_link_length / 2 + camera_height / 2}" /> 

    
    <link name="camera">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="${camera_length} ${camera_width} ${camera_height}" />
            geometry>
            <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" />
            <material name="black" />
        visual>
    link>

    <joint name="camera2base_link" type="fixed">
        <parent link="base_link" />
        <child link="camera" />
        <origin xyz="${camera_x} ${camera_y} ${camera_z}" />
    joint>
robot>

雷达xacro文件：my_laser.urdf.xacro

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

    
    <xacro:property name="support_length" value="0.15" /> 
    <xacro:property name="support_radius" value="0.01" /> 
    <xacro:property name="support_x" value="0.0" /> 
    <xacro:property name="support_y" value="0.0" /> 
    <xacro:property name="support_z" value="${base_link_length / 2 + support_length / 2}" /> 

    <link name="support">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="${support_radius}" length="${support_length}" />
            geometry>
            <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" />
            <material name="red">
                <color rgba="0.8 0.2 0.0 0.8" />
            material>
        visual>
    link>

    <joint name="support2base_link" type="fixed">
        <parent link="base_link" />
        <child link="support" />
        <origin xyz="${support_x} ${support_y} ${support_z}" />
    joint>


    
    <xacro:property name="laser_length" value="0.05" /> 
    <xacro:property name="laser_radius" value="0.03" /> 
    <xacro:property name="laser_x" value="0.0" /> 
    <xacro:property name="laser_y" value="0.0" /> 
    <xacro:property name="laser_z" value="${support_length / 2 + laser_length / 2}" /> 

    
    <link name="laser">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="${laser_radius}" length="${laser_length}" />
            geometry>
            <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" />
            <material name="black" />
        visual>
    link>

    <joint name="laser2support" type="fixed">
        <parent link="support" />
        <child link="laser" />
        <origin xyz="${laser_x} ${laser_y} ${laser_z}" />
    joint>
robot>

组合底盘摄像头与雷达的xacro文件

my_base_camera_laser.urdf.xacro

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

launch文件

test.launch

<launch>
    <param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro $(find urdf01_rviz)/urdf/xacro/my_base_camera_laser.urdf.xacro" />
    
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" />
	
    <node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher" output="screen" />
    
    <node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" output="screen" />
    
    <node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" output="screen" />
launch>

在Rviz中显示机器人模型

调出终端并输入以下指令：

source ./devel/setup.bash
roslaunch 包名 test.launch

手动添加机器人显示组件RobotModel：

在Fixed Frame中选择base_footprint，即可显示机器人：