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前言
📢本系列将依托赵虚左老师的ROS课程，写下自己的一些心得与笔记。
📢课程链接:https://www.bilibili.com/video/BV1Ci4y1L7ZZ
📢讲义链接:http://www.autolabor.com.cn/book/ROSTutorials/index.html
📢 文章可能存在疏漏的地方，恳请大家指出。
1. Arbotix使用流程
Arbotix:Arbotix 是一款控制电机、舵机的控制板，并提供相应的 ros 功能包，这个功能包的功能不仅可以驱动真实的 Arbotix 控制板，它还提供一个差速控制器，通过接受速度控制指令更新机器人的 joint 状态，从而帮助我们实现机器人在 rviz 中的运动。
实现流程:
- 安装 Arbotix
- 创建新功能包，准备机器人 urdf、xacro 文件
- 添加 Arbotix 配置文件
- 编写 launch 文件配置 Arbotix
- 启动 launch 文件并控制机器人模型运动
1.1 安装 Arbotix
sudoapt-getinstall ros-melodic-arbotix
1.2 创建新功能包，准备机器人 urdf、xacro 文件
参考上一讲.【ROS】—— 机器人系统仿真 —URDF优化_xacro (十四)
1.3 添加 Arbotix 配置文件
config文件夹中放置
# 该文件是控制器配置,一个机器人模型可能有多个控制器，比如: 底盘、机械臂、夹持器(机械手)....# 因此，根 name 是 controllercontrollers:{# 单控制器设置base_controller:{#类型: 差速控制器type: diff_controller,#参考坐标base_frame_id: base_footprint,#两个轮子之间的间距base_width:0.2,#控制频率ticks_meter:2000,#PID控制参数，使机器人车轮快速达到预期速度Kp:12,Kd:12,Ki:0,Ko:50,#加速限制accel_limit:1.0}}
1.4 编写 launch 文件配置 Arbotix
<launch><paramname="robot_description"command="$(find xacro)/xacro $(find urdf01_rviz)/urdf/xacro/car.urdf.xacro"/><!--启动rviz --><nodepkg="rviz"type="rviz"name="rviz"args="-d $(find urdf01_rviz)/config/demo01.rviz"/><!-- 添加关节状态发布节点 --><nodepkg="joint_state_publisher"type="joint_state_publisher"name="joint_state_publisher"/><!-- 添加机器人状态发布节点 --><nodepkg="robot_state_publisher"type="robot_state_publisher"name="robot_state_publisher"/><!-- arbotix运动控制节点,并且加载相关参数--><nodepkg="arbotix_python"type="arbotix_driver"name="driver"output="screen"><rosparamcommand="load"file="$(find urdf01_rviz)/config/control.yaml"/><paramname="sim"value="true"/></node></launch>
1.5 启动 launch 文件并控制机器人模型运动
运行出现以下warning,将joint的名称修改即可,不过不影响下面演示.
[ WARN] [1673593397.380279247]: Joint state with name: “base_l_wheel_joint” was received but not found in URDF
发布运动消息
yuan@yuan-Legion-Y9000P-IAH7H:~$ rostopic pub -r 10 /cmd_vel geometry_msgs/Twist “linear:
x: 1.0
y: 0.0
z: 0.0
angular:
x: 0.0
y: 0.0
z: 1.0”
2. URDF集成Gazebo
- 创建功能包，导入依赖项 urdf、xacro、gazebo_ros、gazebo_ros_control、gazebo_plugins
- 编写 URDF 或 Xacro 文件
- 启动 Gazebo 并显示机器人模型
2.1 URDF与Gazebo基本集成流程
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。
<gazeboreference="base_link"><material>Gazebo/Black</material></gazebo>
demo01_helloworld.urdf
<robotname="mycar"><linkname="base_link"><visual><geometry><boxsize="0.5 0.2 0.1"/></geometry><originxyz="0.0 0.0 0.0"rpy="0.0 0.0 0.0"/><materialname="yellow"><colorrgba="0.5 0.3 0.0 1"/></material></visual><collision><geometry><boxsize="0.5 0.2 0.1"/></geometry><originxyz="0.0 0.0 0.0"rpy="0.0 0.0 0.0"/></collision><inertial><originxyz="0 0 0"/><massvalue="6"/><inertiaixx="1"ixy="0"ixz="0"iyy="1"iyz="0"izz="1"/></inertial></link><gazeboreference="base_link"><material>Gazebo/Black</material></gazebo></robot>
注意
inertial
和
inertia
<inertial><originxyz="0 0 0"/><massvalue="6"/><inertiaixx="1"ixy="0"ixz="0"iyy="1"iyz="0"izz="1"/></inertial>
gazebo运行出现以下问题
[Err] [REST.cc:205] Error in REST request
libcurl: (51) SSL: no alternative certificate subject name matches target host name 'api.ignitionfuel.org'
解决
sudo gedit ~/.ignition/fuel/config.yaml
将
https://api.ignitionfuel.org
替换为
https://fuel.ignitionrobotics.org
参考https://blog.csdn.net/qq_39531155/article/details/114678795
运行launch
<launch><!-- 将 Urdf 文件的内容加载到参数服务器 --><paramname="robot_description"textfile="$(find urdf02_gazebo)/urdf/demo01_helloworld.urdf"/><!-- 启动 gazebo --><includefile="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch"/>
终端中运行如下为成功(
rosrun gazebo_ros spawn_model -urdf -model mycar -param robot_description
)
[INFO] [1673598852.373215, 0.000000]: Loading model XML from ros parameter robot_description
[INFO] [1673598852.374878, 0.000000]: Waiting for service /gazebo/spawn_urdf_model
[INFO] [1673598852.390063, 0.000000]: Calling service /gazebo/spawn_urdf_model
[INFO] [1673598852.465687, 7.973000]: Spawn status: SpawnModel: Successfully spawned entity
demo01_helloworld.launch
<launch><!-- 将 Urdf 文件的内容加载到参数服务器 --><paramname="robot_description"textfile="$(find urdf02_gazebo)/urdf/demo01_helloworld.urdf"/><!-- 启动 gazebo --><includefile="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch"/><!-- 启动 Gazebo 的仿真环境，当前环境为空环境 --><!-- 在 gazebo 中显示机器人模型 --><nodepkg="gazebo_ros"type="spawn_model"name="model"args="-urdf -model mycar -param robot_description"/></launch><!--
在 Gazebo 中加载一个机器人模型，该功能由 gazebo_ros 下的 spawn_model 提供:
-urdf 加载的是 urdf 文件
-model mycar 模型名称是 mycar
-param robot_description 从参数 robot_description 中载入模型
-x 模型载入的 x 坐标
-y 模型载入的 y 坐标
-z 模型载入的 z 坐标
-->
运行成功如下
2.2 URDF集成Gazebo相关设置
2.2.1 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。
2.2.2 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
<!-- Macro for inertia matrix --><xacro:macroname="sphere_inertial_matrix"params="m r"><inertial><massvalue="${m}"/><inertiaixx="${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:macroname="cylinder_inertial_matrix"params="m r h"><inertial><massvalue="${m}"/><inertiaixx="${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:macroname="Box_inertial_matrix"params="m l w h"><inertial><massvalue="${m}"/><inertiaixx="${m*(h*h + w*w)/12}"ixy="0"ixz="0"iyy="${m*(h*h + l*l)/12}"iyz="0"izz="${m*(w*w +l*l)/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。
更多的可以自行计算转动惯量
常见几何体的转动惯量
2.2.3 颜色设置
在 gazebo 中显示 link 的颜色，必须要使用指定的标签:
<gazeboreference="link节点名称"><material>Gazebo/Blue</material></gazebo>
PS： material 标签中，设置的值区分大小写，颜色可以设置为 Red Blue Green Black …
2.3 URDF集成Gazebo实操
2.3.1 编写封装惯性矩阵算法的 xacro 文件
head.xacro
<robotname="base"xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro"><!-- Macro for inertia matrix --><xacro:macroname="sphere_inertial_matrix"params="m r"><inertial><massvalue="${m}"/><inertiaixx="${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:macroname="cylinder_inertial_matrix"params="m r h"><inertial><massvalue="${m}"/><inertiaixx="${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:macroname="Box_inertial_matrix"params="m l w h"><inertial><massvalue="${m}"/><inertiaixx="${m*(h*h + w*w)/12}"ixy="0"ixz="0"iyy="${m*(h*h + l*l)/12}"iyz="0"izz="${m*(w*w +l*l)/12}"/></inertial></xacro:macro></robot>
2.3.2 底盘 Xacro 文件
<!--
使用 xacro 优化 URDF 版的小车底盘实现：
实现思路:
1.将一些常量、变量封装为 xacro:property
比如:PI 值、小车底盘半径、离地间距、车轮半径、宽度 ....
2.使用 宏 封装驱动轮以及支撑轮实现，调用相关宏生成驱动轮与支撑轮
--><robotname="my_base"xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro"><xacro:propertyname="PI"value="3.1415926"/><materialname="black"><colorrgba="0.0 0.0 0.0 1.0"/></material><xacro:propertyname="base_footprint_radius"value="0.001"/><xacro:propertyname="base_link_radius"value="0.1"/><xacro:propertyname="base_link_length"value="0.08"/><xacro:propertyname="earth_space"value="0.015"/><xacro:propertyname="base_link_m"value="0.5"/><linkname="base_footprint"><visual><geometry><sphereradius="${base_footprint_radius}"/></geometry></visual></link><linkname="base_link"><visual><geometry><cylinderradius="${base_link_radius}"length="${base_link_length}"/></geometry><originxyz="0 0 0"rpy="0 0 0"/><materialname="yellow"><colorrgba="0.5 0.3 0.0 0.5"/></material></visual><collision><geometry><cylinderradius="${base_link_radius}"length="${base_link_length}"/></geometry><originxyz="0 0 0"rpy="0 0 0"/></collision><xacro:cylinder_inertial_matrixm="${base_link_m}"r="${base_link_radius}"h="${base_link_length}"/></link><jointname="base_link2base_footprint"type="fixed"><parentlink="base_footprint"/><childlink="base_link"/><originxyz="0 0 ${earth_space + base_link_length / 2 }"/></joint><gazeboreference="base_link"><material>Gazebo/Yellow</material></gazebo><xacro:propertyname="wheel_radius"value="0.0325"/><xacro:propertyname="wheel_length"value="0.015"/><xacro:propertyname="wheel_m"value="0.05"/><xacro:macroname="add_wheels"params="name flag"><linkname="${name}_wheel"><visual><geometry><cylinderradius="${wheel_radius}"length="${wheel_length}"/></geometry><originxyz="0.0 0.0 0.0"rpy="${PI / 2} 0.0 0.0"/><materialname="black"/></visual><collision><geometry><cylinderradius="${wheel_radius}"length="${wheel_length}"/></geometry><originxyz="0.0 0.0 0.0"rpy="${PI / 2} 0.0 0.0"/></collision><xacro:cylinder_inertial_matrixm="${wheel_m}"r="${wheel_radius}"h="${wheel_length}"/></link><jointname="${name}_wheel2base_link"type="continuous"><parentlink="base_link"/><childlink="${name}_wheel"/><originxyz="0 ${flag * base_link_radius} ${-(earth_space + base_link_length / 2 - wheel_radius) }"/><axisxyz="0 1 0"/></joint><gazeboreference="${name}_wheel"><material>Gazebo/Red</material></gazebo></xacro:macro><xacro:add_wheelsname="left"flag="1"/><xacro:add_wheelsname="right"flag="-1"/><xacro:propertyname="support_wheel_radius"value="0.0075"/><xacro:propertyname="support_wheel_m"value="0.03"/><xacro:macroname="add_support_wheel"params="name flag"><linkname="${name}_wheel"><visual><geometry><sphereradius="${support_wheel_radius}"/></geometry><originxyz="0 0 0"rpy="0 0 0"/><materialname="black"/></visual><collision><geometry><sphereradius="${support_wheel_radius}"/></geometry><originxyz="0 0 0"rpy="0 0 0"/></collision><xacro:sphere_inertial_matrixm="${support_wheel_m}"r="${support_wheel_radius}"/></link><jointname="${name}_wheel2base_link"type="continuous"><parentlink="base_link"/><childlink="${name}_wheel"/><originxyz="${flag * (base_link_radius - support_wheel_radius)} 0 ${-(base_link_length / 2 + earth_space / 2)}"/><axisxyz="1 1 1"/></joint><gazeboreference="${name}_wheel"><material>Gazebo/Red</material></gazebo></xacro:macro><xacro:add_support_wheelname="front"flag="1"/><xacro:add_support_wheelname="back"flag="-1"/></robot>
2.3.3 摄像头 Xacro 文件
<robotname="my_camera"xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro"><xacro:propertyname="camera_length"value="0.01"/><xacro:propertyname="camera_width"value="0.025"/><xacro:propertyname="camera_height"value="0.025"/><xacro:propertyname="camera_x"value="0.08"/><xacro:propertyname="camera_y"value="0.0"/><xacro:propertyname="camera_z"value="${base_link_length / 2 + camera_height / 2}"/><xacro:propertyname="camera_m"value="0.01"/><linkname="camera"><visual><geometry><boxsize="${camera_length} ${camera_width} ${camera_height}"/></geometry><originxyz="0.0 0.0 0.0"rpy="0.0 0.0 0.0"/><materialname="black"/></visual><collision><geometry><boxsize="${camera_length} ${camera_width} ${camera_height}"/></geometry><originxyz="0.0 0.0 0.0"rpy="0.0 0.0 0.0"/></collision><xacro:Box_inertial_matrixm="${camera_m}"l="${camera_length}"w="${camera_width}"h="${camera_height}"/></link><jointname="camera2base_link"type="fixed"><parentlink="base_link"/><childlink="camera"/><originxyz="${camera_x} ${camera_y} ${camera_z}"/></joint><gazeboreference="camera"><material>Gazebo/Blue</material></gazebo></robot>
2.3.4 雷达 Xacro 文件
<robotname="my_laser"xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro"><xacro:propertyname="support_length"value="0.15"/><xacro:propertyname="support_radius"value="0.01"/><xacro:propertyname="support_x"value="0.0"/><xacro:propertyname="support_y"value="0.0"/><xacro:propertyname="support_z"value="${base_link_length / 2 + support_length / 2}"/><xacro:propertyname="support_m"value="0.02"/><linkname="support"><visual><geometry><cylinderradius="${support_radius}"length="${support_length}"/></geometry><originxyz="0.0 0.0 0.0"rpy="0.0 0.0 0.0"/><materialname="red"><colorrgba="0.8 0.2 0.0 0.8"/></material></visual><collision><geometry><cylinderradius="${support_radius}"length="${support_length}"/></geometry><originxyz="0.0 0.0 0.0"rpy="0.0 0.0 0.0"/></collision><xacro:cylinder_inertial_matrixm="${support_m}"r="${support_radius}"h="${support_length}"/></link><jointname="support2base_link"type="fixed"><parentlink="base_link"/><childlink="support"/><originxyz="${support_x} ${support_y} ${support_z}"/></joint><gazeboreference="support"><material>Gazebo/White</material></gazebo><xacro:propertyname="laser_length"value="0.05"/><xacro:propertyname="laser_radius"value="0.03"/><xacro:propertyname="laser_x"value="0.0"/><xacro:propertyname="laser_y"value="0.0"/><xacro:propertyname="laser_z"value="${support_length / 2 + laser_length / 2}"/><xacro:propertyname="laser_m"value="0.1"/><linkname="laser"><visual><geometry><cylinderradius="${laser_radius}"length="${laser_length}"/></geometry><originxyz="0.0 0.0 0.0"rpy="0.0 0.0 0.0"/><materialname="black"/></visual><collision><geometry><cylinderradius="${laser_radius}"length="${laser_length}"/></geometry><originxyz="0.0 0.0 0.0"rpy="0.0 0.0 0.0"/></collision><xacro:cylinder_inertial_matrixm="${laser_m}"r="${laser_radius}"h="${laser_length}"/></link><jointname="laser2support"type="fixed"><parentlink="support"/><childlink="laser"/><originxyz="${laser_x} ${laser_y} ${laser_z}"/></joint><gazeboreference="laser"><material>Gazebo/Black</material></gazebo></robot>
2.3.5 组合底盘、摄像头与雷达的 Xacro 文件
<robotname="mycar"xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro"><xacro:includefilename="head.urdf.xacro"/><xacro:includefilename="demo06_base_footprint.urdf.xacro"/><xacro:includefilename="demo07_car_camera.urdf.xacro"/><xacro:includefilename="demo08_car_lidar.urdf.xacro"/></robot>
2.3.6 launch 文件
<launch><!-- 将 Urdf 文件的内容加载到参数服务器 --><paramname="robot_description"command="$(find xacro)/xacro $(find urdf02_gazebo)/urdf/xacro/car.urdf.xacro"/><!-- 启动 gazebo --><includefile="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch"/><!-- 在 gazebo 中显示机器人模型 --><nodepkg="gazebo_ros"type="spawn_model"name="model"args="-urdf -model mycar -param robot_description"/></launch>
PS
之前摸索的时候遇到了以下问题:
首先启动rviz文件,其运行正常:
之后启动gazebo,出现以下报错
Error: No link elements found in urdf file
at line 179 in /build/urdfdom-YMMa9X/urdfdom-1.0.0/urdf_parser/src/model.cpp
Error [parser_urdf.cc:3166] Unable to call parseURDF on robot model
Error [parser.cc:406] parse as old deprecated model file failed.
关闭gazebo,再启动rviz,出现ROS
No transform from [sth] to [sth]
的问题,只有将roscore重启才恢复正常.后来发现是xacro文件以及launch文件有写错的地方,更正后再次启动就不会出现问题了.
2.4 Gazebo仿真环境搭建
2.4.0 启动已有仿真环境
将已有world文件移到功能包的worlds目录下
编写launch文件
<launch><!-- 将 Urdf 文件的内容加载到参数服务器 --><paramname="robot_description"command="$(find xacro)/xacro $(find urdf02_gazebo)/urdf/xacro/car.urdf.xacro"/><!-- 启动 gazebo --><includefile="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch"><argname="world_name"value="$(find urdf02_gazebo)/worlds/box_house.world"/></include><!-- 在 gazebo 中显示机器人模型 --><nodepkg="gazebo_ros"type="spawn_model"name="model"args="-urdf -model mycar -param robot_description"/></launch>
注意:
<arg name="world_name" value="$(find urdf02_gazebo)/worlds/box_house.world"/>
中的
world_name
是固定的.
2.4.1 添加内置组件创建仿真环境
启动 Gazebo 并添加组件
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
之后就和2.4.0中一样运行就行了
2.4.2 自定义仿真环境
启动 gazebo 打开构建面板，绘制仿真环境
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
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)
本文转载自: https://blog.csdn.net/sinat_52032317/article/details/128673749
版权归原作者 yuan〇 所有， 如有侵权，请联系我们删除。
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