【ROS】中级操作学习整理-gazebo机器人仿真

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前言

一、gazebo介绍

二、机器人模型描述

1.运动学模型

2.视觉模型

3.动力学模型

4.碰撞模型

5.模型优化

6.物理引擎

三、话题使用

总结

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前言

对于ROS的学习，其实我很早就开始了，先是跟着古月居老师的【ROS入门21讲】学了一遍，对ROS有了一个大概的认识，但是当时学完的感觉就是很懵逼，只知道跟着写代码，一些概念和程序多半是死记硬背，一遍学下来感觉什么也记不住，主要原因可能是当时刚上大二，C++基础一般，学习能力也比较弱（大一摸鱼混了一年），自己的理解能力很差，学完一遍后也没及时应用（没加实验室是我很后悔的），导致我学玩一边只记得一些很寻常的概念。

现在在做SLAM方向，要把ROS捡起来再学一遍了，对于前面的基础课程，可以看入门21讲，个人感觉中科院的ROS讲的也很不错，当然，最经典的还是roswiki的入门教程，我感觉很足够了，这里就不介绍初级教程了，直接进入中级篇。

对于一些ROS学习方法和路线，我整理在了这篇文章中。

一、gazebo介绍

 gazebo是ROS的常用组件之一，是用来进行机器人仿真的平台，采用统一的机器人描述格式，可以对机器人的物理力学性能进行仿真，另外gazebo还提供了插件，可以在仿真环境中，通过我们自己编写的程序对机器人进行控制，也可以对机器人的传感器进行仿真，反正就是很方便，具体的介绍很多教程都有，我就不说了，直接开始正题。

打开gazebo的语句：

roslaunch gazebo_ros empty_world.launch

二、机器人模型描述

要实现物理上逼真的动力学仿真，必须足够详细的描述对象，一般详细的建模分为三部分：动力学模型、碰撞模型和视觉模型，对于有控制关节的机器人，还需要指定运动学模型。

1.运动学模型

gazebo中的机器人认为是由一系列的连杆和关节组成的，这与机器人学中的机器人描述相同，建模方法有DH法和改进DH法，在gazebo中使用的机器人描述格式为urdf格式，它使用xml语言，采用标签的方法进行书写，下面这段例子：

定义了两个连杆（base_footprint个base_link）之间用一个关节（base_footprint_joint）连接，link标签中，没有定义任何其他属性，只说了连杆的名字，关节标签中说明了连杆的名字和关节类型（比如平动、转动、浮动等），origin标签说明了关节坐标系的位姿（平移和旋转），parent标签说明了父关节，child标签说明了子关节。

下面我们为其中的连杆添加更多的信息。

2.视觉模型

这个很好理解，就是用于图形显示，视觉模型通常和碰撞模型相同，但是视觉模型有更高的保真度，在视觉模型部分，我们可以为机器人添加颜色、反射率、透明度、材料等描述，一般用的比较多的参数是材料、颜色和形状。

在这段代码中，我们为关节添加了一个视觉模型标签visual，这个标签中有一些参数：

• origin：视觉模型的坐标系位姿
• geometry：连杆形状，这里只有一些简单的模型，比如圆柱（cylinder）、立方体（box），如果想要更逼真的效果，可以使用mesh标签进行渲染
• material：材料、颜色、透明度等，这里我直接写的name=，是因为我在上面自定义了yellow的内容（RGB数值）

经过视觉模型的定义，我们的小车加载到gazebo环境中就可以看到它的样子了。

 图片是我定义了更多的参数，包括摄像头，这只是说明一下效果。

3.动力学模型

动力学模型主要定义每个连杆的质量属性和惯性，相当于对连杆本身特性的一个描述，常用的参数是质量和惯性矩阵。

这里我为小车定义了动力学模型，它的主要参数就是质量mass和惯性矩阵inertia，关于关联矩阵的知识可以看机器人学。

4.碰撞模型

碰撞模型主要用来规定两个物体相互作用时的处理方法，主要参数是形状。

最后再为小车添加碰撞模型，使用collision标签，它的主要参数是坐标系位姿origin和形状geometry，它和视觉模型很像，你可以把它想象成透明度视觉模型，当有物体碰到这个模型时会发生碰撞。

在构建完机器人模型后，我们可以使用下面的代码，来检查我们的机器人模型是否正确

check_urdf mbot_with_camera_gazebo.urdf

显示结果如下：

 也可以使用下面的代码，直接生成更直观的pdf图：

urdf_to_graphiz mbot_with_camera_gazebo.urdf 

在当前目录下生成了一个pdf文件，如下图：

5.模型优化

除了urdf格式，ros提供了一种更加简便的方式去方便用户书写机器人模型，那就是xacro格式，这种格式可以使机器人模型更加模块化，可以定义通用参数、可以调用其他xacro文件、可以进行代数运算等等，最好的是其中描述机器人的格式和urdf一样，只是增加了简单的语法，方便我们使用，可以说很友好了。

下面是一些xacro文件语句的介绍：

 忘了说了，最上面的两行是用来说明xml的版本要求和机器人模型标签，这块学别人的写就行，不用记。

定义了xacro模型后，可以使用下面的语句将xacro格式转换为urdf格式，因为gazebo只认urdf格式

rosrun xacro xacro 你的xacro文件名.xacro > 生成的urdf文件名.urdf

也可以在launch文件中，直接写代码将xacro文件加入到gazebo环境中：

6.物理引擎

gazebo的另一个强大之处在于它支持各种各样的插件，这些插件包括传感器插件、关节控制插件等等，它们的存在可以方便用户便捷的对其进行可视化操作、获取其中关节的状态等，它们在xacro文件中一般是这样描述的：

 它是在gazebo标签下，使用plugin标签进行描述的，其中filename是指定使用到的插件静态库，下面设置了一些参数，比如移动控制的话题（commandTopic）、里程计坐标系（odometryFrame）具体更多插件的细节就不展开了，可以去roswiki查看。

我们也可以在gazebo标签下直接设置关于gazebo的各种参数，这里也不详细说，可以查看roswiki

三、话题使用

建立好机器人模型后，我们就可以在gazebo中把模型加载进来，然后根据它发布的一些话题对他进行一些操作了，写写好launch文件，将小车加载进gazebo环境：

执行代码：

roslaunch mbot_gazebo view_mbot_gazebo_empty_world.lanch

 然后我们查看一下有哪些话题，我们可以操作：

rostopic list

 有着一些列话题，其中有控制速度的/cmd_vel，摄像头拍摄的图像话题/camera/image_raw

我们可以使用键盘控制器来控制小车运动：

 也可以打开一个rviz或者qt，订阅一下摄像头的画面看一下：

打开rviz：

rosrun rviz rviz

打开rqt：

rqt_image_view

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总结

大概就这样吧，这只是仿真中比较基础的一些操作，基本可以满足日常使用了，我们可以多看别人的文件，学习更多使用，平时能看懂就行，平时项目需要我们自己建模的场合也不多，另外也可以使用SolidWorks建模，然后转换成urdf格式，这样更加简便了。