Gazebo机器人仿真

Gazebo机器人仿真

本文基于
B站冰达机器人Gazebo教程，针对在仿真过程中出现的问题提出相应解决办法。

一、实验目标和实验准备

目标: 设计出一台具备激光雷达、IMU和相机的机器人仿真模型用于相关实验。

1. 获取实验功能包：

git clone https://gitee.com/bingda-robot/bingda_tutorials

1. 克隆完成后在工作空间路径下编译功能包

catkin_make --pkg bingda_tutorials

1. 安装其他依赖

sudoapt-getinstall ros-$ROS_DISTRO-gazebo-ros ros-$ROS_DISTRO-gazebo-ros-control ros-$ROS_DISTRO-gazebo-plugins ros-$ROS_DISTRO-joint-state-publisher ros-$ROS_DISTRO-joint-state-publisher-gui ros-$ROS_DISTRO-robot-state-publisher

二、Gazebo的使用和world创建

获取gazebo模型库：

git clone https://gitee.com/bingda-gazebo_models.git

自制实验场景 Edit -> Building Editor

• 保存模型：File -> Save -> 保存路径
• 保存环境模型：File -> Save World As -> 保存路径

这里创建了一个maze.world文件。

创建完成后可将环境模型置于功能包的world文件夹下。

可使用gazebo_world.launch来启动Gazebo加载该环境模型，注意world文件名可替换。

gazebo_world.launch

<launch><includefile="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch"><argname="world_name"value="$(find bingda_tutorials)/world/maze.world"/><argname="paused"value="false"/><argname="use_sim_time"value="true"/><argname="gui"value="true"/><argname="headless"value="false"/><argname="debug"value="false"/></include></launch>

启动该launch文件

roslaunch bingda_tutorials gazebo_world.launch 

Gazebo出现之前创建的环境模型即为成功。

三、URDF和机器人模型

介绍机器人描述文件URDF（Unified Robot Description Format，统一机器人描述格式）
以及<robot>，<link>，<joint>等标签使用方法，读者可由以下链接进入官网查看更详细的说明。

• URDF参考文档
• URDF文档XML格式说明

mybot.urdf

<?xml version="1.0"?><robotname="mybot"><linkname="base_footprint"/><jointname="base_joint"type="fixed"><parentlink="base_footprint"/><childlink="base_link"/><originrpy="0 0 0"xyz="0 0 0"/></joint><linkname="base_link"><inertial><originxyz="0 0 0"rpy="0 0 0"/><massvalue="0.1"/><inertiaixx="0.0001"ixy="0"ixz="0"iyy="0.0001"iyz="0"izz="0.001"/></inertial><visual><geometry><boxsize="0.25 0.16 0.05"/></geometry><originrpy="0 0 0"xyz="0 0 0"/><materialname="blue"><colorrgba="0 0 0.8 1"/></material></visual><collision><originxyz="0 0 0"rpy="0 0 0"/><geometry><boxsize="0.25 0.16 0.05"/></geometry></collision></link><linkname="right_wheel_link"><inertial><originxyz="0 0 0"rpy="0 0 0"/><massvalue="0.1"/><inertiaixx="0.0001"ixy="0"ixz="0"iyy="0.0001"iyz="0"izz="0.0001"/></inertial><visual><geometry><cylinderlength="0.02"radius="0.025"/></geometry><materialname="black"><colorrgba="0 0 0 1"/></material></visual><collision><originxyz="0 0 0"rpy="0 0 0"/><geometry><cylinderlength="0.02"radius="0.025"/></geometry></collision></link><jointname="right_wheel_joint"type="continuous"><axisxyz="0 0 -1"/><parentlink="base_link"/><childlink="right_wheel_link"/><originrpy="1.5707 0 0"xyz=" 0.1 -0.09 -0.03"/></joint><linkname="left_wheel_link"><inertial><originxyz="0 0 0"rpy="0 0 0"/><massvalue="0.1"/><inertiaixx="0.0001"ixy="0"ixz="0"iyy="0.0001"iyz="0"izz="0.0001"/></inertial><visual><geometry><cylinderlength="0.02"radius="0.025"/></geometry><materialname="black"><colorrgba="0 0 0 1"/></material></visual><collision><originxyz="0 0 0"rpy="0 0 0"/><geometry><cylinderlength="0.02"radius="0.025"/></geometry></collision></link><jointname="left_wheel_joint"type="continuous"><axisxyz="0 0 -1"/><parentlink="base_link"/><childlink="left_wheel_link"/><originrpy="1.5707 0 0"xyz="0.1 0.09 -0.03"/></joint><linkname="ball_wheel_link"><inertial><originxyz="0 0 0"rpy="0 0 0"/><massvalue="0.1"/><inertiaixx="0"ixy="0"ixz="0"iyy="0"iyz="0"izz="0"/></inertial><visual><geometry><sphereradius="0.025"/></geometry><materialname="black"><colorrgba="0 0 0 1"/></material></visual><collision><originxyz="0 0 0"rpy="0 0 0"/><geometry><sphereradius="0.025"/></geometry></collision></link><jointname="ball_wheel_joint"type="fixed"><axisxyz="0 0 1"/><parentlink="base_link"/><childlink="ball_wheel_link"/><originrpy="0 0 0"xyz="-0.10 0 -0.03"/></joint></robot>

• 注意：一般将link的可视化属性<visual>与碰撞属性<collision>的参数设为一致，所见即所仿真。

bingda_tutorials中已经描述了一个带转向轮的三轮小车mybot，可使用check_urdf 命令来检查URDF文件语法

roscd bingda_tutorials/urdf/
check_urdf mybot.urdf

结果显示如上图所示：查看mybot.urdf文件可以发现空link属性的base_footprint，是约定俗成代表该机器人地面投影的link，base_footprint通过base_joint与base_link连接，base_link通过其他joint与3个child link相连，分别是左轮，右轮和万向轮。

可能会提示没有安装该命令相关的包，以下命令补上。

sudoaptinstall liburdfdom-tools

机器人配置文件设置好后，可启动gazebo_robot.launch文件观察实际效果，其中gazebo_world.launch文件内为自行设置的环境模型。

gazebo_robot.launch

<launch><includefile="$(find bingda_tutorials)/launch/gazebo_world.launch"/><nodename="spawn_model"pkg="gazebo_ros"type="spawn_model"args="-file $(find bingda_tutorials)/urdf/mybot.urdf -urdf -model robot_description"output="screen"/></launch>

启动launch文件

roslaunch bingda_tutorials gazebo_robot.launch

可以观察到在环境模型中加载了小车模型，但是还不能进行仿真，也没有颜色，需要添加<gazebo>相关标签。

四、传感器和执行文件安装

目标：为车轮增加执行器件，并添加激光雷达、IMU和摄像头。

xacro文件，对urdf文件的补充。不是非用不可，但不失为一种简化代码的手段。

mybot.xacro

<?xml version="1.0"?><!-- To declare this code can be explained by xacro --><robotname="mybot"xmlns:xacro="http://ros.org/wiki/xacro"><!-- Include this file to make a distinction between module file and simulation file--><xacro:includefilename="$(find bingda_tutorials)/urdf/mybot.gazebo.xacro"/><!--  The code is same as mybot.urdf in this place --><!-- imu sensor --><linkname="imu"><visual><geometry><boxsize="0.01 0.01 0.01"/></geometry><materialname="white"><colorrgba="1 1 1 1"/></material></visual></link><jointname="imu_joint"type="fixed"><parentlink="base_link"/><childlink="imu"/><originxyz="0.08 0 0.025"/></joint><!-- camera --><linkname="base_camera_link"><visual><geometry><boxsize="0.02 0.03 0.03"/></geometry><materialname="white"><colorrgba="1 1 1 1"/></material></visual></link><jointname="camera_joint"type="fixed"><parentlink="base_link"/><childlink="base_camera_link"/><originxyz="0.1 0 0.025"/></joint><!-- laser lidar --><linkname="base_laser_link"><visual><geometry><cylinderlength="0.06"radius="0.04"/></geometry><materialname="white"><colorrgba="1 1 1 1"/></material></visual></link><jointname="laser_joint"type="fixed"><parentlink="base_link"/><childlink="base_laser_link"/><originxyz="0 0.0 0.06"/></joint></robot>

mybot.xacro文件仅定义了模型中增加的传感器的位置大小以及连接方式，并未真正意义上的添加传感器的仿真功能，具体仿真效果见mybot.gazebo.xacro文件。这样做的目的是将模型文件与仿真文件分开存放，互不影响，增加项目文件的复用性，同时使代码理解更简单。

mybot.gazebo.xacro

<?xml version="1.0"?><robotname="mybot"xmlns:xacro="http://ros.org/wiki/xacro"><xacro:argname="laser_visual"default="false"/><xacro:argname="camera_visual"default="false"/><xacro:argname="imu_visual"default="false"/><gazeboreference="base_link"><material>Gazebo/DarkGrey</material></gazebo><gazeboreference="left_wheel_link"><mu1>0.5</mu1><mu2>0.5</mu2><kp>500000.0</kp><kd>10.0</kd><minDepth>0.001</minDepth><maxVel>1.0</maxVel><fdir1>1 0 0</fdir1><material>Gazebo/DarkGrey</material></gazebo><gazeboreference="right_wheel_link"><mu1>0.5</mu1><mu2>0.5</mu2><kp>500000.0</kp><kd>10.0</kd><minDepth>0.001</minDepth><maxVel>1.0</maxVel><fdir1>1 0 0</fdir1><material>Gazebo/FlatBlack</material></gazebo><gazeboreference="ball_wheel_link"><mu1>0.1</mu1><mu2>0.1</mu2><kp>500000.0</kp><kd>100.0</kd><minDepth>0.001</minDepth><maxVel>1.0</maxVel><material>Gazebo/FlatBlack</material></gazebo><gazeboreference="imu"><sensortype="imu"name="imu"><always_on>true</always_on><visualize>$(arg imu_visual)</visualize></sensor><material>Gazebo/FlatBlack</material></gazebo><gazebo><pluginname="mybot_controller"filename="libgazebo_ros_diff_drive.so"><commandTopic>cmd_vel</commandTopic><odometryTopic>odom</odometryTopic><odometryFrame>odom</odometryFrame><odometrySource>world</odometrySource><publishOdomTF>true</publishOdomTF><robotBaseFrame>base_footprint</robotBaseFrame><publishWheelTF>false</publishWheelTF><publishTf>true</publishTf><publishWheelJointState>true</publishWheelJointState><legacyMode>false</legacyMode><updateRate>30</updateRate><leftJoint>left_wheel_joint</leftJoint><rightJoint>right_wheel_joint</rightJoint><wheelSeparation>0.180</wheelSeparation><wheelDiameter>0.05</wheelDiameter><wheelAcceleration>10</wheelAcceleration><wheelTorque>100</wheelTorque><rosDebugLevel>na</rosDebugLevel></plugin></gazebo><gazebo><pluginname="imu_plugin"filename="libgazebo_ros_imu.so"><alwaysOn>true</alwaysOn><bodyName>imu</bodyName><frameName>imu</frameName><topicName>imu</topicName><serviceName>imu_service</serviceName><gaussianNoise>0.0</gaussianNoise><updateRate>0</updateRate><imu><noise><type>gaussian</type><rate><mean>0.0</mean><stddev>2e-4</stddev><bias_mean>0.0000075</bias_mean><bias_stddev>0.0000008</bias_stddev></rate><accel><mean>0.0</mean><stddev>1.7e-2</stddev><bias_mean>0.1</bias_mean><bias_stddev>0.001</bias_stddev></accel></noise></imu></plugin></gazebo><gazeboreference="base_laser_link"><material>Gazebo/FlatBlack</material><sensortype="ray"name="rplidar_sensor"><pose>0 0 0 0 0 0</pose><visualize>$(arg laser_visual)</visualize><update_rate>7</update_rate><ray><scan><horizontal><samples>720</samples><resolution>0.5</resolution><min_angle>0.0</min_angle><max_angle>6.28319</max_angle></horizontal></scan><range><min>0.120</min><max>12.0</max><resolution>0.015</resolution></range><noise><type>gaussian</type><mean>0.0</mean><stddev>0.01</stddev></noise></ray><pluginname="gazebo_ros_rplidar_controller"filename="libgazebo_ros_laser.so"><topicName>scan</topicName><frameName>base_laser_link</frameName></plugin></sensor></gazebo><gazeboreference="base_camera_link"><sensortype="camera"name="csi Camera"><always_on>true</always_on><visualize>$(arg camera_visual)</visualize><camera><horizontal_fov>1.085595</horizontal_fov><image><width>640</width><height>480</height><format>R8G8B8</format></image><clip><near>0.03</near><far>100</far></clip></camera><pluginname="camera_controller"filename="libgazebo_ros_camera.so"><alwaysOn>true</alwaysOn><updateRate>30.0</updateRate><cameraName>/</cameraName><frameName>base_camera_link</frameName><imageTopicName>image_raw</imageTopicName><cameraInfoTopicName>camera_info</cameraInfoTopicName><hackBaseline>0.07</hackBaseline><distortionK1>0.0</distortionK1><distortionK2>0.0</distortionK2><distortionK3>0.0</distortionK3><distortionT1>0.0</distortionT1><distortionT2>0.0</distortionT2></plugin></sensor></gazebo></robot>

mybot.gazebo.xacro具体定义传感器在gazebo中的仿真效果即<gazebo>标签，包括视觉上的颜色以及控制效果等，且只在gezebo中生效，传感器以插件plugin的标签载入。

可启动simulation_robot.launch文件查看效果。

rosrlaunch bingda_tutorials simulation_robot.launch

可以观察到与之前相比，小车已经有了颜色，并且添加了传感器。

验证摄像头功能：

rqt_image_view

选择订阅摄像头发布的话题 /image_raw/compress 。

验证完成！

五、使用Gazebo进行SLAM建图和导航实验

1. 实验预准备

安装建图导航功能包robot_navigation：

cd ~/catkin_ws/src/
git clone https://gitee.com/bingda-robot/robot_navigation.git

cd ~/catkin_ws/
catkin_make
sudoapt-getinstall ros-$ROS_DISTRO-amcl ros-$ROS_DISTRO-move-base ros-$ROS_DISTRO-slam-gmapping ros-$ROS_DISTRO-slam-karto ros-$ROS_DISTRO-cartographer ros-$ROS_DISTRO-cartographer-ros ros-$ROS_DISTRO-dwa-local-planner ros-$ROS_DISTRO-teb-local-planner ros-$ROS_DISTRO-map-server ros-$ROS_DISTRO-hector-slam*

echo"export BASE_TYPE=NanoRobot">> ~/.bashrc
source  ~/.bashrc

2. 建图实验

• 启动仿真文件simulation_robot.launch

roslaunch bingda_tutorials simulation_robot.launch

• 使用gmapping算法进行建图

roslaunch robot_navigation gmapping.launch simulation:=true

simulation为true表示需要仿真，与gazebo建立同步时间线。

• 打开rviz

roslaunch robot_navigation slam_rviz.launch

• 获取小车摄像头图像

rqt_image_view

• 打开键盘控制节点，控制小车运动并建图

rosrun teleop_twist_keyboard teleop_twist_keyboard.py

若没有安装此功能包，可由以下指令安装：

sudoapt-getinstall ros-melodic-teleop-twist-keyboard

• 建图完成后，对地图进行保存，这里命名为mazemap

roscd robot_navigation/maps
rosrun map_server map_saver -f mazemap

3. 导航实验

根据刚才建立的地图进行导航
robot_navigation功能包下提供了一个与导航堆栈相关的launch文件navigation_stack.launch

navigation_stack.launch

<launch><!-- Arguments --><argname="map_file"default="$(find robot_navigation)/maps/mazemap.yaml"/><argname="simulation"default="false"/><argname="planner"default="dwa"doc="opt: dwa, teb"/><argname="move_forward_only"default="false"/><argname="use_dijkstra"default="true"/><!-- Map server --><nodepkg="map_server"name="map_server"type="map_server"args="$(arg map_file)"><paramname="frame_id"value="map"/></node><!-- AMCL --><nodepkg="amcl"type="amcl"name="amcl"output="screen"><rosparamfile="$(find robot_navigation)/param/$(env BASE_TYPE)/amcl_params.yaml"command="load"/><paramname="initial_pose_x"value="0.0"/><paramname="initial_pose_y"value="0.0"/><paramname="initial_pose_a"value="0.0"/></node><!-- move_base --><includefile="$(find robot_navigation)/launch/move_base.launch"><argname="planner"value="$(arg planner)"/><argname="simulation"value="$(arg simulation)"/><argname="move_forward_only"value="$(arg move_forward_only)"/><argname="use_dijkstra"value="$(arg use_dijkstra)"/></include></launch>

该launch文件会启动地图服务器，amcl定位节点等等。
需要注意的是这里BASE_TYPE为NanoCar，与建立的小车模型在尺寸上会有不同，进而可能导致在进行导航实验时会发生碰撞，读者可在robot_navigation/param文件夹下建立自己的小车尺寸数据。

• 启动仿真文件simulation_robot.launch

roslaunch bingda_tutorials simulation_robot.launch

• 启动navigation_stack.launch

roslaunch robot_navigation navigation_stack.launch simulation:=true

• 打开rviz

roslaunch robot_navigation slam_rviz.launch

• 获取小车摄像头图像

rqt_image_view

Rviz会加载之前保存的地图，此时确定目标点位姿(图中紫色箭头所示)，小车即可自动开始进行导航。

小车顺利到达目标点，导航实验成功！

六、从Solidworks中创建URDF模型

使用sw_urdf_exporter工具进行转换，在转换前须确定主要坐标轴。