【ROS仿真实战】获取机器人在gazebo位置真值的三种方法（三）

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前言

在ROS和Gazebo中，获取机器人的位置信息通常通过ROS消息传递进行。在这篇文章中，我们将介绍三种获取机器人在Gazebo中位置真值的方法：使用ROS tf库、使用自己编写Gazebo Model Plugin以及libgazebo_ros_p3d Plugin。

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一. 使用ROS tf库

ROS tf库是ROS中用于管理坐标变换的库，它可以通过ROS消息传递来管理不同坐标系之间的关系。在Gazebo中，每个模型都有一个本地坐标系（local coordinate system），这个坐标系的原点通常位于模型的重心。模型的本地坐标系可以通过SDF文件或URDF文件定义。在Gazebo中，机器人也是一个模型，因此可以通过ROS tf库来获取机器人的位置信息。

以下是获取机器人在Gazebo中位置信息的步骤：

1. 在机器人控制程序中，通过tf监听器（tf listener）订阅tf变换消息（tf transform message）。

#include 
#include 

int main(int argc, char** argv) {
  ros::init(argc, argv, "robot_position");
  ros::NodeHandle nh;

  tf::TransformListener listener;

  while (ros::ok()) {
    tf::StampedTransform transform;
    try {
      listener.lookupTransform("world", "base_link", ros::Time(0), transform);
    } catch (tf::TransformException& ex) {
      ROS_ERROR("%s", ex.what());
      ros::Duration(1.0).sleep();
      continue;
    }

    double x = transform.getOrigin().x();
    double y = transform.getOrigin().y();
    double z = transform.getOrigin().z();

    ROS_INFO("Robot position: x=%f, y=%f, z=%f", x, y, z);

    ros::spinOnce();
  }

  return 0;
}

2. 在lookupTransform函数中指定目标坐标系和源坐标系。在这个例子中，目标坐标系是"world"，表示机器人在地图坐标系中的位置。源坐标系是"base_link"，表示机器人本身的坐标系。

3. 通过调用getOrigin函数获取机器人在目标坐标系中的位置。

需要注意的是，机器人控制程序中必须先启动tf监听器，否则程序会无法订阅到tf变换消息。

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二、 使用Gazebo Model Plugin

另一种获取机器人在Gazebo中位置信息的方法是使用Gazebo Model Plugin。Gazebo Model Plugin是一种可以附加到Gazebo模型上的插件，可以在模拟过程中对模型进行控制和监测。

以下是使用Gazebo Model Plugin获取机器人在Gazebo中位置信息的步骤：

1. 编写Gazebo Model Plugin

首先，我们需要编写一个Gazebo Model Plugin，用于订阅机器人在Gazebo中的位姿信息，并将其发布到ROS话题中。在这个例子中，我们使用的是Gazebo提供的ModelPlugin。

下面是一个简单的例子，演示如何获取机器人在Gazebo中的位置信息，并将其发布到ROS话题中：

#include 
#include 
#include 
#include 

namespace gazebo {

class RobotPlugin : public ModelPlugin {
 public:
  RobotPlugin() {}

  void Load(physics::ModelPtr _parent, sdf::ElementPtr _sdf) override {
    // 获取机器人模型
    model_ = _parent;

    // 初始化ROS节点
    ros::NodeHandle nh;

    // 创建一个ROS发布器，发布机器人的位置信息
    pose_pub_ = nh.advertise<geometry_msgs::PoseStamped>("/robot_pose", 10);

    // 创建一个Gazebo回调函数，用于在每个仿真步骤中获取机器人的位姿信息
    update_connection_ = gazebo::event::Events::ConnectWorldUpdateBegin(
        boost::bind(&RobotPlugin::OnUpdate, this));
  }

 private:
  void OnUpdate() {
    // 获取机器人的位姿信息
    auto pose = model_->WorldPose();

    // 将位姿信息转换为ROS消息类型
    geometry_msgs::PoseStamped pose_msg;
    pose_msg.header.frame_id = "world";
    pose_msg.header.stamp = ros::Time::now();
    pose_msg.pose.position.x = pose.Pos().X();
    pose_msg.pose.position.y = pose.Pos().Y();
    pose_msg.pose.position.z = pose.Pos().Z();
    pose_msg.pose.orientation.x = pose.Rot().X();
    pose_msg.pose.orientation.y = pose.Rot().Y();
    pose_msg.pose.orientation.z = pose.Rot().Z();
    pose_msg.pose.orientation.w = pose.Rot().W();

    // 发布机器人的位姿信息
    pose_pub_.publish(pose_msg);
  }

  // 机器人模型
  physics::ModelPtr model_;

  // ROS发布器，用于发布机器人的位置信息
  ros::Publisher pose_pub_;

  // Gazebo回调函数，用于在每个仿真步骤中获取机器人的位姿信息
  gazebo::event::ConnectionPtr update_connection_;
};

GZ_REGISTER_MODEL_PLUGIN(RobotPlugin)

}  // namespace gazebo

2. 编译和运行

编译上述代码，可以使用Catkin工作空间进行编译。在Catkin工作空间的根目录下，创建一个名为“src”的目录，然后将上述代码复制到“src”目录下。接下来，使用以下命令编译代码：

catkin_make

接下来，可以在.launch文件中添加gazebo_ros包，并启动Gazebo仿真环境，启动ROS节点：

<launch>
  <arg name="model" default="robot"/>

  <include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch">
    <arg name="world_name" value="$(find my_robot)/worlds/my_world.world"/>
    <arg name="paused" value="false"/>
    <arg name="use_sim_time" value="true"/>
    <arg name="gui" value="true"/>
    <arg name="headless" value="false"/>
    <arg name="debug" value="false"/>
  include>

  <node name="gazebo_model_publisher" pkg="my_robot" type="gazebo_model_publisher" output="screen">
    <param name="model" value="$(arg model)"/>
    <param name="topic" value="/robot_pose"/>
  node>
launch>

在上面的.launch文件中，首先包含了gazebo_ros包的empty_world.launch文件，并传递了相关参数，启动Gazebo仿真环境。然后，启动一个节点gazebo_model_publisher，这个节点是我们自己编写的Gazebo Model Plugin，通过订阅机器人的位置信息并将其发送到ROS话题中。

运行.launch文件：

roslaunch my_robot gazebo_model_publisher.launch

此时，机器人在Gazebo中的位置信息将会以ROS话题的形式发布，可以使用rostopic命令查看：

rostopic echo /robot_pose

这样，我们就可以通过Gazebo Model Plugin获取机器人在Gazebo中的位置信息了。

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三、 使用libgazebo_ros_p3d插件

libgazebo_ros_p3d是一个用于在Gazebo仿真环境中发布三维位置和速度信息的ROS插件库。该插件可以使ROS节点通过ROS话题订阅机器人的三维位置和速度信息，并将其发布到Gazebo仿真环境中，使得机器人的运动可以在仿真环境中被准确地模拟和显示。

该插件通过Gazebo中的物理引擎模拟机器人的运动，并将模拟结果转换成ROS消息发布到ROS话题中。该插件可以很方便地与其他ROS节点和包进行集成，实现对机器人运动的控制和监控。

使用libgazebo_ros_p3d插件需要在Gazebo模型文件中添加插件的配置，并在ROS节点中订阅插件发布的ROS话题。插件配置中需要指定插件的名称、参考框架、更新频率等参数，以及要发布的三维位置和速度信息的名称和单位。

    <!-- Fake localization plugin -->
    <plugin name="ground_truth_odometry" filename="libgazebo_ros_p3d.so">
      <alwaysOn>true</alwaysOn>
      <updateRate>100.0</updateRate>
      <bodyName>base_link</bodyName>
      <topicName>base_pose_ground_truth</topicName>
      <gaussianNoise>0.01</gaussianNoise>
      <frameName>map</frameName>-->
        <!-- initialize odometry for fake localization-->
      <xyzOffsets>0 0 0</xyzOffsets>
      <rpyOffsets>0 0 0</rpyOffsets>
    </plugin>

编写节点订阅话题/gazebo/model_states，找到对应模型的名称即可，例如机器人名称为turtlebot3。

void _modelStatesCallback(const gazebo_msgs::ModelStatesConstPtr &msg)
{
  int modelCount = msg->name.size();

  for(int modelInd = 0; modelInd < modelCount; ++modelInd)
  {
      if(msg->name[modelInd] == "turtlebot3")
      {
          _current_pose.pose = msg->pose[modelInd];
          _current_velocity.twist = msg->twist[modelInd];
          break;
      }
  }
}

在ROS机器人算法开发和测试过程中，libgazebo_ros_p3d插件可以帮助开发人员在仿真环境中快速、准确地获取机器人的位置和速度信息，方便进行算法开发和测试。

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四、总结

总的来说，在进行ROS机器人算法开发和测试时，获取机器人在Gazebo中位置信息的基本步骤是通过订阅ROS话题或使用插件提供的接口来获取机器人位置信息，并将其发送到ROS话题中。选择适合自己的方法，根据实际需求和问题进行调试和优化是非常重要的。无论使用哪种方法，这个基本步骤都是相同的，只是具体实现方式会有所不同。因此，在使用Gazebo进行ROS机器人算法开发和测试时，需要根据实际情况选择合适的方法来获取机器人的位置信息。