[ROS 系列学习教程] 建模与仿真 - URDF 建模介绍

动力学仿真：Gazebo支持多种高性能的物理引擎，如ODE、Bullet、SimBody和DART，能够进行精确的动力学计算和仿真。三维可视化环境：它提供了一个逼真的三维环境，包括光线、纹理和影子，使得仿真场景更加接近现实。传感器仿真：Gazebo支持模拟多种传感器，如激光雷达、相机等，并能模拟传感器噪声，这对于开发和测试机器人感知系统非常重要。可扩展插件：用户可以通过开发自定义插件来扩展Gaze

万俟淋曦

2664人浏览 · 2024-04-14 21:03:53

万俟淋曦 · 2024-04-14 21:03:53 发布

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ROS 系列学习教程(总目录)

由于种种原因，有时我们不能直接使用真实的机器人进行调试，这时就需要对机器人进行建模与仿真，在虚拟世界中实现对机器人的控制。

常见的机器人仿真系统有多种，比如 Webots、V-REP、MuJoCo、PyBullet 以及 Gazebo 等。

由于ROS官方默认推荐 Gazebo，我们这里仅以 Gazebo为例介绍机器人的建模与仿真。

一、Gazebo 介绍

Gazebo是一个功能丰富的开源机器人仿真平台，具备以下特点和功能：

动力学仿真：Gazebo支持多种高性能的物理引擎，如ODE、Bullet、SimBody和DART，能够进行精确的动力学计算和仿真。
三维可视化环境：它提供了一个逼真的三维环境，包括光线、纹理和影子，使得仿真场景更加接近现实。
传感器仿真：Gazebo支持模拟多种传感器，如激光雷达、相机等，并能模拟传感器噪声，这对于开发和测试机器人感知系统非常重要。
可扩展插件：用户可以通过开发自定义插件来扩展Gazebo的功能，满足特定的仿真需求。
支持多种机器人模型：Gazebo官方提供了多种机器人模型，如PR2、Pioneer2 DX、TurtleBot等，用户也可以使用自己创建的模型。
网络通信：Gazebo支持TCP/IP传输，可以实现远程仿真，后台仿真和前台显示通过网络通信。
云仿真：Gazebo仿真可以在云平台上运行，如Amazon、Softlayer等，方便进行大规模或分布式仿真。

Gazebo通常与机器人操作系统（ROS）结合使用。以下是一些基本的使用方法：

安装Gazebo：一般安装完整版的ROS会一起安装 Gazebo，如果没有安装 Gazebo，可以使用以下方法安装（以gazebo11为例）：

1.添加源
sudo sh -c 'echo "deb http://packages./gazebo/ubuntu-stable `lsb_release -cs` main" > /etc/apt/sources.list.d/gazebo-stable.list'

2.设置秘钥
wget https://packages./gazebo.key -O - | sudo apt-key add -

3.更新源
sudo apt update

4.安装
sudo apt install gazebo11 
sudo apt install libgazebo11-dev

导入模型：在使用Gazebo时，需要导入机器人和环境的模型。这些模型通常是以 urdf/sdf 格式存在的，Gazebo支持这两种格式的文件，并且提供了一些常用的模型库供用户下载和使用。
URDF和SDF文件：URDF（Unified Robot Description Format）和SDF（Simulation Description Format）是用于描述机器人和仿真环境的两种文件格式。URDF主要用于描述机器人模型，而SDF则用于描述仿真世界。Gazebo可以处理这两种格式的文件，并且用户可以在这两种格式之间进行转换。

二、URDF 建模介绍

URDF（Unified Robot Description Format，统一机器人描述格式）是ROS中一个非常重要的机器人模型描述格式，是一个标准的 XML格式，它可以反映机器人各个组件之间的位置关系。ROS同时也提供了URDF文件的C++解析器，可以解析URDF文件中使用XML格式描述的机器人模型。可以在任何文本编辑器中创建URDF文件，如果已经存在机器人的 CAD 模型，则可以使用一些工具将 CAD 模型转换为 URDF。

URDF描述机器人有一个基本思想，就是一切实体皆连杆（link），实体间的相对运动关系为称为关节（joint）。

2.1 一个简单的实体

首先，感受一下rviz中的显示，我们写一个简单的URDF文件来描述一个圆柱体，如下：

<?xml version="1.0"?>
<robot name="mbot">
    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder length="0.1" radius="0.2"/>
            </geometry>
        </visual>
    </link>
</robot>

使用rviz查看如下图：

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2.2 rivz显示URDF模型

rviz是怎么找到所指定的URDF模型的呢？

通过向参数服务器查询，没错，URDF模型是储存在参数服务器中的，需要我们写入。

一般是通过 launch 文件写入，如下：

<launch>
    <param name="urdf_hello_world" textfile="$(find simulation_learning)/urdf/hello_world.urdf" />
</launch>

其中，urdf_hello_world 是参数名字，后面供rviz查询模型；textfile 代表从文件写入参数，值为文件路径，$(find simulation_learning) 是查找simulation_learning功能包的路径。

执行上述launch文件即可将你的URDF文件写入ROS参数服务器。

然后打开rviz，初始界面如下图：

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然后点击Add添加视图，选择By display type 中的 RobotModel ，如下图：

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添加后会发现有报错，查看报错信息如下：

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参数 robot_description 不存在，这是rviz RobotModel 默认的参数名，我们需要将Robot Description一项改成自己设置的参数名，如下图：

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可以发现，修改后，模型显示出来了，但仍有报错，报错为 base_link 和 map 没有转换关系。我们的模型实体名称为 base_link ，rviz中设置的固定参考系（Fixed Frame）是 map，我们没有告知系统我们的模型在map中的位置，所以会报这个错。将固定参考系设置为我们的 base_link 即可，如下图：

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2.3 保存与加载rviz配置

每次用rviz加载模型都需要配置信息，甚至更多，为了方便，我们可以导出rviz配置，下次打开直接加载即可。

导出配置：依次选择 File -> Save Config As ，然后选择你要保存的位置即可。

加载配置：依次选择 File -> Open Config ，然后选择你的配置文件即可。

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2.4 launch文件快速启动

有时不仅会使用rviz打开模型并加载配置，还会发布模型位置信息，有时甚至还会打开多个模型，这时手动打开rviz就显得过于笨拙了，我们使用launch文件可以快速执行上述任务，如下是打开 hello_world模型并加载rviz配置的launch内容：

<launch>
    <param name="urdf_hello_world" textfile="$(find simulation_learning)/urdf/hello_world.urdf" />
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find simulation_learning)/config/hello_world.rviz"/> 
</launch>