【ROS学习笔记15】ROS仿真常用组件URDF集成rviz
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写在前面，本系列笔记参考的是AutoLabor的教程，具体项目地址在 这里
前言
1.URDF
URDF是 Unified Robot Description Format 的首字母缩写，直译为统一(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
2.rviz
RViz 是 ROS Visualization Tool 的首字母缩写，直译为ROS的三维可视化工具。它的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
以“ros- [ROS_DISTRO] -desktop-full”命令安装ROS时，RViz会默认被安装。
运行使用命令
rviz
或
rosrun rviz rviz
如果rviz没有安装，请调用如下命令自行安装:
sudoaptinstall ros-[ROS_DISTRO]-rviz
3.gazebo
Gazebo是一款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。
以“ros- [ROS_DISTRO] -desktop-full”命令安装ROS时，gzebo会默认被安装。
运行使用命令
gazebo
或
rosrun gazebo_ros gazebo
**注意1:**在 Ubuntu20.04 与 ROS Noetic 环境下，gazebo 启动异常以及解决
- **问题1:**VMware: vmw_ioctl_command error Invalid argument(无效的参数)解决:
echo "export SVGA_VGPU10=0" >> ~/.bashrc``````source .bashrc - 问题2:[Err] [REST.cc:205] Error in REST request解决:
sudo gedit ~/.ignition/fuel/config.yaml然后将url : https://api.ignitionfuel.org使用 # 注释再添加url: https://api.ignitionrobotics.org - **问题3:**启动时抛出异常:
[gazebo-2] process has died [pid xxx, exit code 255, cmd.....解决:killall gzserver和killall gzclient
**注意2:**如果 gazebo没有安装，请自行安装:
1.添加源:
sudosh -c 'echo "deb http://packages.osrfoundation.org/gazebo/ubuntu-stable `lsb_release -cs` main"
>
/etc/apt/sources.list.d/gazebo-stable.list'wget http://packages.osrfoundation.org/gazebo.key -O - |sudo apt-key add -
2.安装：
sudoapt update
sudoaptinstall gazebo11
sudoaptinstall libgazebo11-dev
机器人的系统仿真是一种集成实现，主要包含三部分:
- URDF 用于创建机器人模型
- Gzebo 用于搭建仿真环境
- Rviz 图形化的显示机器人各种传感器感知到的环境信息
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
1.URDF集成Rviz基本流程
前面介绍过，URDF 不能单独使用，需要结合 Rviz 或 Gazebo，URDF 只是一个文件，需要在 Rviz 或 Gazebo 中渲染成图形化的机器人模型，当前，首先演示URDF与Rviz的集成使用，因为URDF与Rviz的集成较之于URDF与Gazebo的集成更为简单，后期，基于Rviz的集成实现，我们再进一步介绍URDF语法。
需求描述:
在 Rviz 中显示一个盒状机器人
结果演示:
实现流程：
- 准备:新建功能包，导入依赖
- 核心:编写 urdf 文件
- 核心:在 launch 文件集成 URDF 与 Rviz
- 在 Rviz 中显示机器人模型
1.创建功能包，导入依赖
创建一个新的功能包，名称自定义，导入依赖包:
urdf
与
xacro
在当前功能包下，再新建几个目录:
urdf
: 存储 urdf 文件的目录
meshes
:机器人模型渲染文件(暂不使用)
config
: 配置文件
launch
: 存储 launch 启动文件
2.编写 URDF 文件
新建一个子级文件夹:
urdf
(可选)，文件夹中添加一个
.urdf
文件,复制如下内容:
<robotname="mycar"><linkname="base_link"><visual><geometry><boxsize="0.5 0.2 0.1"/></geometry></visual></link></robot>
3.在 launch 文件中集成 URDF 与 Rviz
在
launch
目录下，新建一个 launch 文件，该 launch 文件需要启动 Rviz，并导入 urdf 文件，Rviz 启动后可以自动载入解析
urdf
文件，并显示机器人模型，核心问题:如何导入 urdf 文件? 在 ROS 中，可以将 urdf 文件的路径设置到参数服务器，使用的参数名是:
robot_description
,示例代码如下:
<launch><!-- 设置参数 --><paramname="robot_description"textfile="$(find 包名)/urdf/urdf/urdf01_HelloWorld.urdf"/><!-- 启动 rviz --><nodepkg="rviz"type="rviz"name="rviz"/></launch>
4.在 Rviz 中显示机器人模型
rviz 启动后，会发现并没有盒装的机器人模型，这是因为默认情况下没有添加机器人显示组件，需要手动添加，添加方式如下:
设置完毕后，可以正常显示了
5.优化 rviz 启动
重复启动
launch
文件时，Rviz 之前的组件配置信息不会自动保存，需要重复执行步骤4的操作，为了方便使用，可以使用如下方式优化:
首先，将当前配置保存进
config
目录
然后，
launch
文件中 Rviz 的启动配置添加参数:
args
,值设置为
-d 配置文件路径
<launch><paramname="robot_description"textfile="$(find 包名)/urdf/urdf/urdf01_HelloWorld.urdf"/><nodepkg="rviz"type="rviz"name="rviz"args="-d $(find 报名)/config/rviz/show_mycar.rviz"/></launch>
再启动时，就可以包含之前的组件配置了，使用更方便快捷。
2. URDF语法详解
URDF 文件是一个标准的 XML 文件，在 ROS 中预定义了一系列的标签用于描述机器人模型，机器人模型可能较为复杂，但是 ROS 的 URDF 中机器人的组成却是较为简单，可以主要简化为两部分:连杆(link标签) 与 关节(joint标签)，接下来我们就通过案例了解一下 URDF 中的不同标签:
- robot 根标签，类似于 launch文件中的launch标签
- link 连杆标签
- joint 关节标签
- gazebo 集成gazebo需要使用的标签
关于gazebo标签，后期在使用 gazebo 仿真时，才需要使用到，用于配置仿真环境所需参数，比如: 机器人材料属性、gazebo插件等，但是该标签不是机器人模型必须的，只有在仿真时才需设置
2.1 URDF语法详解——robot
robot
urdf 中为了保证 xml 语法的完整性，使用了
robot
标签作为根标签，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
1.属性
name: 指定机器人模型的名称
2.子标签
其他标签都是子级标签
2.2 URDF语法详解——link
link
urdf 中的 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
1.属性
- name —> 为连杆命名
2.子标签
- visual —> 描述外观(对应的数据是可视的) - geometry 设置连杆的形状 - 标签1: box(盒状) - 属性:size=长(x) 宽(y) 高(z)- 标签2: cylinder(圆柱) - 属性:radius=半径 length=高度- 标签3: sphere(球体) - 属性:radius=半径- 标签4: mesh(为连杆添加皮肤) - 属性: filename=资源路径(格式:**package:/// /文件 **)- origin 设置偏移量与倾斜弧度 - 属性1: xyz=x偏移 y便宜 z偏移- 属性2: rpy=x翻滚 y俯仰 z偏航 (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
- Inertial —> 连杆的惯性矩阵
在此，只演示
visual
使用。
3.案例
**需求:**分别生成长方体、圆柱与球体的机器人部件
<robotname="my_car"><linkname="base_link"><visual><!-- 形状 --><geometry><!-- 长方体的长宽高 --><!-- <box size="0.5 0.3 0.1" /> --><!-- 圆柱，半径和长度 --><cylinderradius="0.5"length="0.1"/><!-- 球体，半径--><!-- <sphere radius="0.3" /> --></geometry><!-- xyz坐标 rpy翻滚俯仰与偏航角度(3.14=180度 1.57=90度) --><originxyz="0 0 0"rpy="0 0 0"/><!-- 颜色: r=red g=green b=blue a=alpha --><materialname="black"><colorrgba="0.7 0.5 0 0.5"/></material></visual></link></robot>
示例结果：
首先下载素材，素材链接，将素材放置在
功能包/meshes
路径下
2.3 URDF语法详解——joint
joint
urdf 中的 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…,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。
joint标签对应的数据在模型中是不可见的
1.属性
- name —> 为关节命名
- 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
2.子标签
- parent(必需的)parent link的名字是一个强制的属性：- link: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)child link的名字是一个强制的属性：- link: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。
3.案例
**需求:**创建机器人模型，底盘为长方体，在长方体的前面添加一摄像头，摄像头可以沿着 Z 轴 360 度旋转。
URDF文件示例如下:
<!--
需求: 创建机器人模型，底盘为长方体，
在长方体的前面添加一摄像头，
摄像头可以沿着 Z 轴 360 度旋转
--><robotname="mycar"><!-- 底盘 --><linkname="base_link"><visual><geometry><boxsize="0.5 0.2 0.1"/></geometry><originxyz="0 0 0"rpy="0 0 0"/><materialname="blue"><colorrgba="0 0 1.0 0.5"/></material></visual></link><!-- 摄像头 --><linkname="camera"><visual><geometry><boxsize="0.02 0.05 0.05"/></geometry><originxyz="0 0 0"rpy="0 0 0"/><materialname="red"><colorrgba="1 0 0 0.5"/></material></visual></link><!-- 关节 --><jointname="camera2baselink"type="continuous"><parentlink="base_link"/><childlink="camera"/><!-- 需要计算两个 link 的物理中心之间的偏移量 --><originxyz="0.2 0 0.075"rpy="0 0 0"/><axisxyz="0 0 1"/></joint></robot>
launch文件示例如下:
<launch><paramname="robot_description"textfile="$(find urdf_rviz_demo)/urdf/urdf/urdf03_joint.urdf"/><nodepkg="rviz"type="rviz"name="rviz"args="-d $(find urdf_rviz_demo)/config/helloworld.rviz"/><!-- 添加关节状态发布节点 --><nodepkg="joint_state_publisher"type="joint_state_publisher"name="joint_state_publisher"/><!-- 添加机器人状态发布节点 --><nodepkg="robot_state_publisher"type="robot_state_publisher"name="robot_state_publisher"/><!-- 可选:用于控制关节运动的节点 --><nodepkg="joint_state_publisher_gui"type="joint_state_publisher_gui"name="joint_state_publisher_gui"/></launch>
PS:
1.状态发布节点在此是必须的:
<!-- 添加关节状态发布节点 --><nodepkg="joint_state_publisher"type="joint_state_publisher"name="joint_state_publisher"/><!-- 添加机器人状态发布节点 --><nodepkg="robot_state_publisher"type="robot_state_publisher"name="robot_state_publisher"/>
2.关节运动控制节点(可选)，会生成关节控制的UI，用于测试关节运动是否正常。
<!-- 可选:用于控制关节运动的节点 --><nodepkg="joint_state_publisher_gui"type="joint_state_publisher_gui"name="joint_state_publisher_gui"/>
示例效果：
4.base_footprint优化urdf
前面实现的机器人模型是半沉到地下的，因为默认情况下: 底盘的中心点位于地图原点上，所以会导致这种情况产生，可以使用的优化策略，将初始 link 设置为一个尺寸极小的 link(比如半径为 0.001m 的球体，或边长为 0.001m 的立方体)，然后再在初始 link 上添加底盘等刚体，这样实现，虽然仍然存在初始link半沉的现象，但是基本可以忽略了。这个初始 link 一般称之为 base_footprint
<!--
使用 base_footprint 优化
--><robotname="mycar"><!-- 设置一个原点(机器人中心点的投影) --><linkname="base_footprint"><visual><geometry><sphereradius="0.001"/></geometry></visual></link><!-- 添加底盘 --><linkname="base_link"><visual><geometry><boxsize="0.5 0.2 0.1"/></geometry><originxyz="0 0 0"rpy="0 0 0"/><materialname="blue"><colorrgba="0 0 1.0 0.5"/></material></visual></link><!-- 底盘与原点连接的关节 --><jointname="base_link2base_footprint"type="fixed"><parentlink="base_footprint"/><childlink="base_link"/><originxyz="0 0 0.05"/></joint><!-- 添加摄像头 --><linkname="camera"><visual><geometry><boxsize="0.02 0.05 0.05"/></geometry><originxyz="0 0 0"rpy="0 0 0"/><materialname="red"><colorrgba="1 0 0 0.5"/></material></visual></link><!-- 关节 --><jointname="camera2baselink"type="continuous"><parentlink="base_link"/><childlink="camera"/><originxyz="0.2 0 0.075"rpy="0 0 0"/><axisxyz="0 0 1"/></joint></robot>
launch 文件内容不变。
示例结果：
5.遇到问题以及解决
问题1:
命令行输出如下错误提示
UnicodeEncodeError: 'ascii' codec can't encode characters in position 463-464: ordinal not in range(128)
[joint_state_publisher-3] process has died [pid 4443, exit code 1, cmd /opt/ros/melodic/lib/joint_state_publisher/joint_state_publisher __name:=joint_state_publisher __log:=/home/rosmelodic/.ros/log/b38967c0-0acb-11eb-aee3-0800278ee10c/joint_state_publisher-3.log].
log file: /home/rosmelodic/.ros/log/b38967c0-0acb-11eb-aee3-0800278ee10c/joint_state_publisher-3*.log
rviz中提示坐标变换异常，导致机器人部件显示结构异常
**原因:**编码问题导致的
**解决:**去除URDF中的中文注释
问题2:
[ERROR][1584370263.037038]: Could not find the GUI, install the 'joint_state_publisher_gui' package
解决:
sudoaptinstall ros-noetic-joint-state-publisher-gui
2.4 URDF练习
需求描述:
创建一个四轮圆柱状机器人模型，机器人参数如下,底盘为圆柱状，半径 10cm，高 8cm，四轮由两个驱动轮和两个万向支撑轮组成，两个驱动轮半径为 3.25cm,轮胎宽度1.5cm，两个万向轮为球状，半径 0.75cm，底盘离地间距为 1.5cm(与万向轮直径一致)
结果演示:
实现流程:
创建机器人模型可以分步骤实现
- 新建 urdf 文件，并与 launch 文件集成
- 搭建底盘
- 在底盘上添加两个驱动轮
- 在底盘上添加两个万向轮
1.新建urdf以及launch文件
urdf 文件:基本实现
<robotname="mycar"><!-- 设置 base_footprint --><linkname="base_footprint"><visual><geometry><sphereradius="0.001"/></geometry></visual></link><!-- 添加底盘 --><!-- 添加驱动轮 --><!-- 添加万向轮(支撑轮) --></robot>
launch 文件:
<launch><!-- 将 urdf 文件内容设置进参数服务器 --><paramname="robot_description"textfile="$(find demo01_urdf_helloworld)/urdf/urdf/test.urdf"/><!-- 启动 rivz --><nodepkg="rviz"type="rviz"name="rviz_test"args="-d $(find demo01_urdf_helloworld)/config/helloworld.rviz"/><!-- 启动机器人状态和关节状态发布节点 --><nodepkg="robot_state_publisher"type="robot_state_publisher"name="robot_state_publisher"/><nodepkg="joint_state_publisher"type="joint_state_publisher"name="joint_state_publisher"/><!-- 启动图形化的控制关节运动节点 --><nodepkg="joint_state_publisher_gui"type="joint_state_publisher_gui"name="joint_state_publisher_gui"/></launch>
2.底盘搭建
<!--
参数
形状:圆柱
半径:10 cm
高度:8 cm
离地:1.5 cm
--><linkname="base_link"><visual><geometry><cylinderradius="0.1"length="0.08"/></geometry><originxyz="0 0 0"rpy="0 0 0"/><materialname="yellow"><colorrgba="0.8 0.3 0.1 0.5"/></material></visual></link><jointname="base_link2base_footprint"type="fixed"><parentlink="base_footprint"/><childlink="base_link"/><originxyz="0 0 0.055"/></joint>
3.添加驱动轮
<!-- 添加驱动轮 --><!--
驱动轮是侧翻的圆柱
参数
半径: 3.25 cm
宽度: 1.5 cm
颜色: 黑色
关节设置:
x = 0
y = 底盘的半径 + 轮胎宽度 / 2
z = 离地间距 + 底盘长度 / 2 - 轮胎半径 = 1.5 + 4 - 3.25 = 2.25(cm)
axis = 0 1 0
--><linkname="left_wheel"><visual><geometry><cylinderradius="0.0325"length="0.015"/></geometry><originxyz="0 0 0"rpy="1.5705 0 0"/><materialname="black"><colorrgba="0.0 0.0 0.0 1.0"/></material></visual></link><jointname="left_wheel2base_link"type="continuous"><parentlink="base_link"/><childlink="left_wheel"/><originxyz="0 0.1 -0.0225"/><axisxyz="0 1 0"/></joint><linkname="right_wheel"><visual><geometry><cylinderradius="0.0325"length="0.015"/></geometry><originxyz="0 0 0"rpy="1.5705 0 0"/><materialname="black"><colorrgba="0.0 0.0 0.0 1.0"/></material></visual></link><jointname="right_wheel2base_link"type="continuous"><parentlink="base_link"/><childlink="right_wheel"/><originxyz="0 -0.1 -0.0225"/><axisxyz="0 1 0"/></joint>
4.添加万向轮
<!-- 添加万向轮(支撑轮) --><!--
参数
形状: 球体
半径: 0.75 cm
颜色: 黑色
关节设置:
x = 自定义(底盘半径 - 万向轮半径) = 0.1 - 0.0075 = 0.0925(cm)
y = 0
z = 底盘长度 / 2 + 离地间距 / 2 = 0.08 / 2 + 0.015 / 2 = 0.0475
axis= 1 1 1
--><linkname="front_wheel"><visual><geometry><sphereradius="0.0075"/></geometry><originxyz="0 0 0"rpy="0 0 0"/><materialname="black"><colorrgba="0.0 0.0 0.0 1.0"/></material></visual></link><jointname="front_wheel2base_link"type="continuous"><parentlink="base_link"/><childlink="front_wheel"/><originxyz="0.0925 0 -0.0475"/><axisxyz="1 1 1"/></joint><linkname="back_wheel"><visual><geometry><sphereradius="0.0075"/></geometry><originxyz="0 0 0"rpy="0 0 0"/><materialname="black"><colorrgba="0.0 0.0 0.0 1.0"/></material></visual></link><jointname="back_wheel2base_link"type="continuous"><parentlink="base_link"/><childlink="back_wheel"/><originxyz="-0.0925 0 -0.0475"/><axisxyz="1 1 1"/></joint>
示例效果：
2.5 URDF工具
在 ROS 中，提供了一些工具来方便 URDF 文件的编写，比如:
check_urdf命令可以检查复杂的 urdf 文件是否存在语法问题urdf_to_graphiz命令可以查看 urdf 模型结构，显示不同 link 的层级关系
当然，要使用工具之前，首先需要安装，安装命令:
sudo apt install liburdfdom-tools
1.check_urdf 语法检查
进入urdf文件所属目录，调用:
check_urdf urdf文件
，如果不抛出异常，说明文件合法,否则非法
2.urdf_to_graphiz 结构查看
进入urdf文件所属目录，调用:
urdf_to_graphiz urdf文件
，当前目录下会生成 pdf 文件
Reference
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