ROS-urdf集成gazebo
文章目录
- 一、URDF与Gazebo基本集成流程
- 二、URDF集成Gazebo相关设置
- 三、URDF集成Gazebo实操
- 四、Gazebo仿真环境搭建
一、URDF与Gazebo基本集成流程
1.创建功能包
创建新功能包，导入依赖包: urdf、xacro、gazebo_ros、gazebo_ros_control、gazebo_plugins
2.编写URDF文件
<robot name="mycar">
<link name="base_link">
<visual>
<geometry>
<box size="0.5 0.2 0.1" />
geometry>
<origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" />
<material name="yellow">
<color rgba="0.5 0.3 0.0 1" />
material>
visual>
<collision>
<geometry>
<box size="0.5 0.2 0.1" />
geometry>
<origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" />
collision>
<inertial>
<origin xyz="0 0 0" />
<mass value="6" />
<inertia ixx="1" ixy="0" ixz="0" iyy="1" iyz="0" izz="1" />
inertial>
link>
<gazebo reference="base_link">
<material>Gazebo/Blackmaterial>
gazebo>
robot>
注意， 当 URDF 需要与 Gazebo 集成时，和 Rviz 有明显区别:
1.必须使用 collision 标签，因为既然是仿真环境，那么必然涉及到碰撞检测，collision 提供碰撞检测的依据。
2.必须使用 inertial 标签，此标签标注了当前机器人某个刚体部分的惯性矩阵，用于一些力学相关的仿真计算。
3.颜色设置，也需要重新使用 gazebo 标签标注，因为之前的颜色设置为了方便调试包含透明度，仿真环境下没有此选项。
3.启动Gazebo并显示模型
launch 文件实现:
<launch>
<param name="robot_description" textfile="$(find demo02_urdf_gazebo)/urdf/urdf01_helloworld.urdf" />
<include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch" />
<node pkg="gazebo_ros" type="spawn_model" name="model" args="-urdf -model mycar -param robot_description" />
launch>
二、URDF集成Gazebo相关设置
1.collision
如果机器人link是标准的几何体形状，和link的 visual 属性设置一致即可。
2.inertial
惯性矩阵的设置需要结合link的质量与外形参数动态生成，标准的球体、圆柱与立方体的惯性矩阵公式如下(已经封装为 xacro 实现):
球体惯性矩阵
<xacro:macro name="sphere_inertial_matrix" params="m r">
<inertial>
<mass value="${m}" />
<inertia ixx="${2*m*r*r/5}" ixy="0" ixz="0"
iyy="${2*m*r*r/5}" iyz="0"
izz="${2*m*r*r/5}" />
inertial>
xacro:macro>
圆柱惯性矩阵
<xacro:macro name="cylinder_inertial_matrix" params="m r h">
<inertial>
<mass value="${m}" />
<inertia ixx="${m*(3*r*r+h*h)/12}" ixy = "0" ixz = "0"
iyy="${m*(3*r*r+h*h)/12}" iyz = "0"
izz="${m*r*r/2}" />
inertial>
xacro:macro>
立方体惯性矩阵
<xacro:macro name="Box_inertial_matrix" params="m l w h">
<inertial>
<mass value="${m}" />
<inertia ixx="${m*(h*h + l*l)/12}" ixy = "0" ixz = "0"
iyy="${m*(w*w + l*l)/12}" iyz= "0"
izz="${m*(w*w + h*h)/12}" />
inertial>
xacro:macro>
需要注意的是，原则上，除了 base_footprint 外，机器人的每个刚体部分都需要设置惯性矩阵，且惯性矩阵必须经计算得出，如果随意定义刚体部分的惯性矩阵，那么可能会导致机器人在 Gazebo 中出现抖动，移动等现象。
3.颜色设置
在 gazebo 中显示 link 的颜色，必须要使用指定的标签:
<gazebo reference="link节点名称">
<material>Gazebo/Bluematerial>
gazebo>
- material 标签中，设置的值区分大小写，颜色可以设置为 Red Blue Green Black …
- 该标签与link标签同级，不要写在link标签中。
三、URDF集成Gazebo实操
1.编写封装惯性矩阵算法的 xacro 文件
<robot name="base" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
<xacro:macro name="sphere_inertial_matrix" params="m r">
<inertial>
<mass value="${m}" />
<inertia ixx="${2*m*r*r/5}" ixy="0" ixz="0"
iyy="${2*m*r*r/5}" iyz="0"
izz="${2*m*r*r/5}" />
inertial>
xacro:macro>
<xacro:macro name="cylinder_inertial_matrix" params="m r h">
<inertial>
<mass value="${m}" />
<inertia ixx="${m*(3*r*r+h*h)/12}" ixy = "0" ixz = "0"
iyy="${m*(3*r*r+h*h)/12}" iyz = "0"
izz="${m*r*r/2}" />
inertial>
xacro:macro>
<xacro:macro name="Box_inertial_matrix" params="m l w h">
<inertial>
<mass value="${m}" />
<inertia ixx="${m*(h*h + l*l)/12}" ixy = "0" ixz = "0"
iyy="${m*(w*w + l*l)/12}" iyz= "0"
izz="${m*(w*w + h*h)/12}" />
inertial>
xacro:macro>
robot>
2.复制相关 xacro 文件，并设置 collision inertial 以及 color 等参数
A.底盘 Xacro 文件
<robot name="my_base" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro">
<xacro:property name="PI" value="3.1415926"/>
<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" />
<xacro:property name="base_link_m" value="0.5" />
<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="${base_link_length}" />
geometry>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
<material name="yellow">
<color rgba="0.5 0.3 0.0 0.5" />
material>
visual>
<collision>
<geometry>
<cylinder radius="${base_link_radius}" length="${base_link_length}" />
geometry>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
collision>
<xacro:cylinder_inertial_matrix m="${base_link_m}" r="${base_link_radius}" h="${base_link_length}" />
link>
<joint name="base_link2base_footprint" type="fixed">
<parent link="base_footprint" />
<child link="base_link" />
<origin xyz="0 0 ${earth_space + base_link_length / 2 }" />
joint>
<gazebo reference="base_link">
<material>Gazebo/Yellowmaterial>
gazebo>
<xacro:property name="wheel_radius" value="0.0325" />
<xacro:property name="wheel_length" value="0.015" />
<xacro:property name="wheel_m" value="0.05" />
<xacro:macro name="add_wheels" params="name flag">
<link name="${name}_wheel">
<visual>
<geometry>
<cylinder radius="${wheel_radius}" length="${wheel_length}" />
geometry>
<origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="${PI / 2} 0.0 0.0" />
<material name="black" />
visual>
<collision>
<geometry>
<cylinder radius="${wheel_radius}" length="${wheel_length}" />
geometry>
<origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="${PI / 2} 0.0 0.0" />
collision>
<xacro:cylinder_inertial_matrix m="${wheel_m}" r="${wheel_radius}" h="${wheel_length}" />
link>
<joint name="${name}_wheel2base_link" type="continuous">
<parent link="base_link" />
<child link="${name}_wheel" />
<origin xyz="0 ${flag * base_link_radius} ${-(earth_space + base_link_length / 2 - wheel_radius) }" />
<axis xyz="0 1 0" />
joint>
<gazebo reference="${name}_wheel">
<material>Gazebo/Redmaterial>
gazebo>
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:property name="support_wheel_m" value="0.03" />
<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>
<collision>
<geometry>
<sphere radius="${support_wheel_radius}" />
geometry>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
collision>
<xacro:sphere_inertial_matrix m="${support_wheel_m}" r="${support_wheel_radius}" />
link>
<joint name="${name}_wheel2base_link" type="continuous">
<parent link="base_link" />
<child link="${name}_wheel" />
<origin xyz="${flag * (base_link_radius - support_wheel_radius)} 0 ${-(base_link_length / 2 + earth_space / 2)}" />
<axis xyz="1 1 1" />
joint>
<gazebo reference="${name}_wheel">
<material>Gazebo/Redmaterial>
gazebo>
xacro:macro>
<xacro:add_support_wheel name="front" flag="1" />
<xacro:add_support_wheel name="back" flag="-1" />
robot>
注意: 如果机器人模型在 Gazebo 中产生了抖动，滑动，缓慢位移 … 诸如此类情况，请查看
- 惯性矩阵是否设置了，且设置是否正确合理
- 车轮翻转需要依赖于 PI 值，如果 PI 值精度偏低，也可能导致上述情况产生
B.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="${base_link_length / 2 + camera_height / 2}" />
<xacro:property name="camera_m" value="0.01" />
<link name="camera">
<visual>
<geometry>
<box size="${camera_length} ${camera_width} ${camera_height}" />
geometry>
<origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" />
<material name="black" />
visual>
<collision>
<geometry>
<box size="${camera_length} ${camera_width} ${camera_height}" />
geometry>
<origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" />
collision>
<xacro:Box_inertial_matrix m="${camera_m}" l="${camera_length}" w="${camera_width}" h="${camera_height}" />
link>
<joint name="camera2base_link" type="fixed">
<parent link="base_link" />
<child link="camera" />
<origin xyz="${camera_x} ${camera_y} ${camera_z}" />
joint>
<gazebo reference="camera">
<material>Gazebo/Bluematerial>
gazebo>
robot>
C.雷达 Xacro 文件
<robot name="my_laser" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
<xacro:property name="support_length" value="0.15" />
<xacro:property name="support_radius" value="0.01" />
<xacro:property name="support_x" value="0.0" />
<xacro:property name="support_y" value="0.0" />
<xacro:property name="support_z" value="${base_link_length / 2 + support_length / 2}" />
<xacro:property name="support_m" value="0.02" />
<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>
<collision>
<geometry>
<cylinder radius="${support_radius}" length="${support_length}" />
geometry>
<origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" />
collision>
<xacro:cylinder_inertial_matrix m="${support_m}" r="${support_radius}" h="${support_length}" />
link>
<joint name="support2base_link" type="fixed">
<parent link="base_link" />
<child link="support" />
<origin xyz="${support_x} ${support_y} ${support_z}" />
joint>
<gazebo reference="support">
<material>Gazebo/Whitematerial>
gazebo>
<xacro:property name="laser_length" value="0.05" />
<xacro:property name="laser_radius" value="0.03" />
<xacro:property name="laser_x" value="0.0" />
<xacro:property name="laser_y" value="0.0" />
<xacro:property name="laser_z" value="${support_length / 2 + laser_length / 2}" />
<xacro:property name="laser_m" value="0.1" />
<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>
<collision>
<geometry>
<cylinder radius="${laser_radius}" length="${laser_length}" />
geometry>
<origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" />
collision>
<xacro:cylinder_inertial_matrix m="${laser_m}" r="${laser_radius}" h="${laser_length}" />
link>
<joint name="laser2support" type="fixed">
<parent link="support" />
<child link="laser" />
<origin xyz="${laser_x} ${laser_y} ${laser_z}" />
joint>
<gazebo reference="laser">
<material>Gazebo/Blackmaterial>
gazebo>
robot>
D.组合底盘、摄像头与雷达的 Xacro 文件
3.在 gazebo 中执行
launch 文件:
<launch>
<param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro $(find demo02_urdf_gazebo)/urdf/xacro/my_base_camera_laser.urdf.xacro" />
<include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch" />
<node pkg="gazebo_ros" type="spawn_model" name="model" args="-urdf -model mycar -param robot_description" />
launch>
四、Gazebo仿真环境搭建
Gazebo 中创建仿真实现方式有两种:
-
方式1: 直接添加内置组件创建仿真环境
-
方式2: 手动绘制仿真环境(更为灵活)
也还可以直接下载使用官方或第三方提高的仿真环境插件。
1.添加内置组件创建仿真环境
1.1启动 Gazebo 并添加组件
1.2保存仿真环境
添加完毕后，选择 file —> Save World as 选择保存路径(功能包下: worlds 目录)，文件名自定义，后缀名设置为 .world
1.3 启动
<launch>
<param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro $(find demo02_urdf_gazebo)/urdf/xacro/my_base_camera_laser.urdf.xacro" />
<include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch">
<arg name="world_name" value="$(find demo02_urdf_gazebo)/worlds/hello.world" />
include>
<node pkg="gazebo_ros" type="spawn_model" name="model" args="-urdf -model mycar -param robot_description" />
launch>
2.自定义仿真环境
2.1 启动 gazebo 打开构建面板，绘制仿真环境
2.2 保存构建的环境
点击: 左上角 file —> Save (保存路径功能包下的: models)
然后 file —> Exit Building Editor
2.3 保存为 world 文件
可以像方式1一样再添加一些插件，然后保存为 world 文件(保存路径功能包下的: worlds)
2.4 启动
3.使用官方提供的插件
当前 Gazebo 提供的仿真道具有限，还可以下载官方支持，可以提供更为丰富的仿真实现，具体实现如下:
3.1 下载官方模型库
git clone https://github.com/osrf/gazebo_models
之前是:hg clone https://bitbucket.org/osrf/gazebo_models但是已经不可用
注意: 此过程可能比较耗时
3.2 将模型库复制进 gazebo
将得到的gazebo_models文件夹内容复制到 /usr/share/gazebo-*/models
3.3 应用
重启 Gazebo，选择左侧菜单栏的 insert 可以选择并插入相关道具了
参考：
[1]Autolabor-ROS机器人入门课程《ROS理论与实践》季基础教程
[2]【Autolabor初级教程】ROS机器人入门
[3]胡春旭.ROS机器人开发实践[M].机械工业出版社,2018.