【ROS进阶篇】第八讲（下） URDF的编程优化Xacro使用
【ROS进阶篇】第八讲（下） URDF的编程优化Xacro使用
文章目录
- 【ROS进阶篇】第八讲（下） URDF的编程优化Xacro使用
- 前言
-
- 一、Xacro的基本概念
- 二、Xacro的语法详解
- 三、实际机器人模型示例
- 总结
前言
在上一节博客中我们系统的学习了URDF的具体使用方法和实例练习，但是在学习的过程中我们也能够发现直接编辑URDF文件存在诸多问题，例如关节参数问题和代码复用性问题，本节博客就主要介绍一种关于XML语言的编程优化方法，Xacro，在实际的URDF编程中热门的优化方法，从基本概念、语法讲解到实际机器人举例进行深入探讨。
一、Xacro的基本概念
-
概念：XML Macros的缩写，本质上是一种XML宏语言，是可编程的XML
-
目的：解决URDF在构建机器人模型过程中存在的固有问题：
1. 连杆、关节的重要参数计算问题：手动通过固定公式计算，容易出现失误，且效率很低；
2. 内容高度重复性：对于相同的机器人部件，URDF文件代码相同，但是需要重复编程，缺乏复用性；
- 原理：通过变量和函数优化代码构建过程
1. 声明变量：通过数学运算计算重要参数，将数据记录在变量中，提高效率及安全性；
2. 封装函数：使用流程控制顺序，封装固定逻辑，提高代码复用性
-
作用：提高编写效率，通过使用宏命令构建更精悍短小但又具有更高可读性的XML文件，扩展达到更大的XML表达范围
-
特点：
\qquad 1. 提供了可编程接口，包含变量声明调用、函数声明与调用等语法实现；
\qquad 2. 在使用xacro生成文件时，根标签robot必须包含命名空间声明：xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro"
二、Xacro的语法详解
1. 属性与算术运算：
\qquad 作用：封装URDF中的字段，例如小车尺寸、轮子半径等
\qquad 属性定义：即声明变量，定义格式如下
<xacro:property name="xxxx" value="yyyy" />
\qquad 属性调用：变量调用格式：${属性名称}
\qquad 算术运算：变量计算格式：${数学表达式}
2. 宏：
\qquad 作用：函数实现，提高代码复用率，优化代码结构，提高安全性
\qquad 宏定义：即函数定义，定义格式如下
<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: ${参数名}
xacro:macro>
\qquad 宏调用：函数调用格式：
<xacro:宏名称 参数1=xxx 参数2=xxx/>
3. 文件包含集成：
\qquad 作用：将机器人的不同部件封装为单独的xacro文件，将文件集成组成为完整机器人，可以使用文件包含实现
\qquad 文件包含格式 ：
<robot name="xxx" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
<xacro:include filename="my_base.xacro" />
<xacro:include filename="my_camera.xacro" />
<xacro:include filename="my_laser.xacro" />
....
robot>
三、实际机器人模型示例
1. 目标机器人与实现流程：
- 目标：拥有两个驱动轮、两个支撑轮的圆柱状小车，并添加摄像头和雷达传感器，效果如下图：
- 实现流程：
1. 编写底盘的xacro文件；
2. 编写摄像头和雷达的xacro文件；
3. 编写组合文件，组合小车各部分；
4. 编写launch文件启动Rviz显示模型；
2. 编写xacro文件：
- 小车底盘实现：
<robot name="my_base" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro">
<xacro:property name="PI" value="3.141"/>
<material name="black">
<color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
material>
<xacro:property name="base_footprint_radius" value="0.001" />
<xacro:property name="base_link_radius" value="0.1" />
<xacro:property name="base_link_length" value="0.08" />
<xacro:property name="earth_space" value="0.015" />
<link name="base_footprint">
<visual>
<geometry>
<sphere radius="${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 ${-(base_link_length / 2 + earth_space / 2)}" />
<axis xyz="1 1 1" />
joint>
xacro:macro>
<xacro:add_support_wheel name="front" flag="1" />
<xacro:add_support_wheel name="back" flag="-1" />
robot>
- 摄像头xacro文件：
<robot name="my_camera" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
<xacro:property name="camera_length" value="0.01" />
<xacro:property name="camera_width" value="0.025" />
<xacro:property name="camera_height" value="0.025" />
<xacro:property name="camera_x" value="0.08" />
<xacro:property name="camera_y" value="0.0" />
<xacro:property name="camera_z" value="${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} ${camera_z}" />
joint>
robot>
- 雷达xacro文件：
<robot name="my_laser" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
<xacro:property name="support_length" value="0.15" />
<xacro:property name="support_radius" value="0.01" />
<xacro:property name="support_x" value="0.0" />
<xacro:property name="support_y" value="0.0" />
<xacro:property name="support_z" value="${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} ${laser_z}" />
joint>
robot>
3. 组合与启动：
- 组合小车模型文件：
<robot name="my_car_camera" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
<xacro:include filename="my_base.urdf.xacro" />
<xacro:include filename="my_camera.urdf.xacro" />
<xacro:include filename="my_laser.urdf.xacro" />
robot>
- 集成launch文件：
\qquad 1) 先转换成urdf文件后集成：
- 先将 xacro 文件解析成 urdf 文件：
rosrun xacro xacro xxx.xacro > xxx.urdf
- 直接整合launch文件：
<launch> <param name="robot_description" textfile="$(find demo01_urdf_helloworld)/urdf/xacro/my_base_camera_laser.urdf.xacro" />" /> <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find demo01_urdf_helloworld)/config/helloworld.rviz" /> <node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher" output="screen" /> <node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" output="screen" /> <node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" output="screen" /> launch>
\qquad 2) 在 launch 文件中直接加载 xacro
<launch>
<param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro $(find demo01_urdf_helloworld)/urdf/xacro/my_base_camera_laser.urdf.xacro" />
<node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find demo01_urdf_helloworld)/config/helloworld.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>
总结
- 声明：本节博客部分参考了CSDN用户赵虚左的ROS教程，本文主要介绍了URDF文件的一种优化编程方法，即Xacro，通过声明变量和函数提高代码安全性、效率和复用性，分别从基本概念、语法详解和最终的实际机器人实例进行了详细分析，在之后的教程中还会推出关于URDF文件与RVIZ和Gazebo组件联合仿真的教程以及关于传感器和导航的内容，敬请期待。
