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【奥特学园】ROS机器人入门课程《ROS理论与实践》零基础教程P252-270

【以上视频笔记见http://www.autolabor.com.cn/book/ROSTutorials/】

前文参考ROS入门(五)——仿真机器人一（URDF+Rviz）

一、介绍

1.Xacro作用

Xacro 是 XML Macros 的缩写，Xacro 是一种 XML 宏语言，是可编程的 XML。

对于一个机器人，我们往往会有多个相类似的组件，例如车子的左轮和右轮，直接编写URDF文件会导致代码量重复，因此我们需要Xacro来起到一种函数封装的作用。在Xacro中，一些参数可以设置为定量和变量，在创建时传入变量，可以实现相似组件的批量生成。

它也可以实现变量计算和求解，避免一些运算中的人力劳动。

2.目标

1.创建底座和车轮的xacro文件
2.编写摄像头和雷达的 xacro 文件
3.编写一个组合文件，组合底盘、摄像头与雷达
4.通过 launch 文件启动 Rviz 并显示模型

3.Xacro语法

（1）属性

• 定义属性

即定义一些常量和数值，如小车高度、离地距离，在本次实操中数值固定。例如要定义PI=3.1415927

<xacro:property name="PI" value="3.1415927" />

•  属性调用

${属性名称}

• 算术运算

${数学表达式}

 （2）宏

• 宏定义

即算法中的函数，可以对相同结构和属性进行封装.

<!-- 多参数之间使用空格分隔 -->
<xacro:macro name="宏名称" params="参数1 参数2 .."> 
    .....
</xacro:macro>

•  宏调用

调用创建好的宏，可以传入一批参数，和宏中定义的参数统一。

<xacro:宏名称 参数1="xxx" 参数2="yyy" ../>

（3）计算样例

 实现1+6=7的宏定义和宏调用

<robot name="t" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
    <!-- 1.宏定义 -->
    <xacro:macro name="getsum" params="num1 num2">
        <result value="${num1+num2}"/>
    </xacro:macro>
    <!-- 2.宏调用 -->
    <xacro:getsum num1="1" num2="6"/>
</robot>

（4）组合样例

在完成单独组件的xacro文件编写后，我们会希望将更多组件组合在一起，拼接成一个完整的模型，则需要新生成一个用于组合的xacro文件，运行launch时直接调用该文件。

<robot name="xxx" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
      <xacro:include filename="文件1.xacro" />
      <xacro:include filename="文件2.xacro" />
      <xacro:include filename="文件3.xacro" />
      ....
</robot>

二、分别创建车体、摄像头和雷达

1.创建底座和车轮（车体）

在之前文章中生成的xacro文件夹中，我们创建一个表示车体的xacro文件【t1_car.xacro】

<!--
    1.利用xacro:property来封装常量
    2.利用宏构造相似车轮（左右轮相似、前后轮相似）
-->
<!-- 根标签，必须声明 xmlns:xacro -->
<robot name="my_base" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro">
    <!-- 封装变量、常量 -->
    <xacro:property name="PI" value="3.141" />
    <!-- 宏:黑色设置 -->
    <material name="black">
        <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
    </material>
    <!-- 封装底盘属性 -->
    <xacro:property name="base_footprint_radius" value="0.001" /> <!-- base_footprint 半径  -->
    <xacro:property name="base_link_radius" value="0.1" /> <!-- base_link 半径 -->
    <xacro:property name="base_link_length" value="0.08" /> <!-- base_link 长 -->
    <xacro:property name="earth_space" value="0.015" /> <!-- 离地间距 -->

    <!-- 底盘只有一个，直接编写 -->
    <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>
    </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>

    <!-- 驱动轮 -->
    <!-- 驱动轮属性封装 -->
    <xacro:property name="wheel_radius" value="0.0325" /> <!-- 半径 -->
    <xacro:property name="wheel_length" value="0.015" /> <!-- 宽度 -->
    <!-- 驱动轮宏实现 -->
    <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>
        </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>
    </xacro:macro>
    <!-- 宏调用，添加左右轮 -->
    <xacro:add_wheels name="left" flag="1" />
    <xacro:add_wheels name="right" flag="-1" />

    <!-- 支撑轮 -->
    <!-- 支撑轮属性 -->
    <xacro:property name="support_wheel_radius" value="0.0075" /> <!-- 支撑轮半径 -->
    <!-- 支撑轮宏 -->
    <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>
        </link>
        <!-- 支撑轮和底盘的关节宏 -->
        <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>
    </xacro:macro>
    <!-- 宏调用，添加前后支撑轮 -->
    <xacro:add_support_wheel name="front" flag="1" />
    <xacro:add_support_wheel name="back" flag="-1" />
</robot>

2.创建摄像头

在之前文章中生成的xacro文件夹中，我们创建一个表示摄像头的xacro文件【t2_camera.xacro】

<!-- 摄像头相关的 xacro 文件 -->
<robot name="my_camera" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
    <!-- 摄像头属性 -->
    <xacro:property name="camera_length" value="0.01" /> <!-- 摄像头长度(x) -->
    <xacro:property name="camera_width" value="0.025" /> <!-- 摄像头宽度(y) -->
    <xacro:property name="camera_height" value="0.025" /> <!-- 摄像头高度(z) -->
    <xacro:property name="camera_x" value="0.08" /> <!-- 摄像头安装的x坐标 -->
    <xacro:property name="camera_y" value="0.0" /> <!-- 摄像头安装的y坐标 -->
    <xacro:property name="camera_z" value="${base_link_length / 2 + camera_height / 2}" /> <!-- 摄像头安装的z坐标:底盘高度 / 2 + 摄像头高度 / 2  -->

    <!-- 摄像头关节以及link -->
    <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>
    </link>

    <joint name="camera2base_link" type="fixed">
        <parent link="base_link" />
        <child link="camera" />
        <origin xyz="${camera_x} ${camera_y} ${camera_z}" />
    </joint>
</robot>

3.创建雷达

在之前文章中生成的xacro文件夹中，我们创建一个表示雷达的xacro文件【t3_laser.xacro】

<!--
    小车底盘添加雷达
-->
<robot name="my_laser" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">

    <!-- 雷达支架 -->
    <xacro:property name="support_length" value="0.15" /> <!-- 支架长度 -->
    <xacro:property name="support_radius" value="0.01" /> <!-- 支架半径 -->
    <xacro:property name="support_x" value="0.0" /> <!-- 支架安装的x坐标 -->
    <xacro:property name="support_y" value="0.0" /> <!-- 支架安装的y坐标 -->
    <xacro:property name="support_z" value="${base_link_length / 2 + support_length / 2}" /> <!-- 支架安装的z坐标:底盘高度 / 2 + 支架高度 / 2  -->

    <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>
    </link>

    <joint name="support2base_link" type="fixed">
        <parent link="base_link" />
        <child link="support" />
        <origin xyz="${support_x} ${support_y} ${support_z}" />
    </joint>


    <!-- 雷达属性 -->
    <xacro:property name="laser_length" value="0.05" /> <!-- 雷达长度 -->
    <xacro:property name="laser_radius" value="0.03" /> <!-- 雷达半径 -->
    <xacro:property name="laser_x" value="0.0" /> <!-- 雷达安装的x坐标 -->
    <xacro:property name="laser_y" value="0.0" /> <!-- 雷达安装的y坐标 -->
    <xacro:property name="laser_z" value="${support_length / 2 + laser_length / 2}" /> <!-- 雷达安装的z坐标:支架高度 / 2 + 雷达高度 / 2  -->

    <!-- 雷达关节以及link -->
    <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>
    </link>

    <joint name="laser2support" type="fixed">
        <parent link="support" />
        <child link="laser" />
        <origin xyz="${laser_x} ${laser_y} ${laser_z}" />
    </joint>
</robot>

三、组件组合

方法一（不推荐）：转换成urdf后组合

在xacro文件夹下打开继承终端，运行。

# rosrun xacro xacro xxx.xacro > xxx.urdf
rosrun xacro xacro t1_car.xacro > t1_xacro_car.urdf

此时将xacro转换为urdf文件，后在launch中调用。调用方式可参考ROS入门(五)——仿真机器人一（URDF+Rviz）

方法二（推荐）：新建xacro组合文件

在完成单独组件的xacro文件编写后，我们会希望将更多组件组合在一起，拼接成一个完整的模型，则需要新生成一个用于组合的xacro文件，运行launch时直接调用该文件就可以将所有组件一起显示。

需要组合的xacro：

• t1_car.xacro   【车体+车轮】
• t2_camera.xacro  【摄像头】
• t3_laser.xacro  【雷达】

新建一个t4_123combine.xacro文件，组合各个组件

<!-- 组合小车、摄像头、雷达 -->
<robot name="my_car_camera" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
    <xacro:include filename="t1_car.xacro" />
    <xacro:include filename="t2_camera.xacro" />
    <xacro:include filename="t3_laser.xacro" />
</robot>

四、launch调用xacro并运行rviz

1.编辑launch文件

在launch文件夹下新建一个launch文件【t4_xacro.launch】

<launch>
    <!-- 将 xacro 文件内容设置进参数服务器 -->
    <!-- urdf调用方式 -->
    <!-- <param name="robot_description" textfile="$(find urdf_rviz)/urdf/urdf/t1_car.urdf" /> -->
    <!-- xacro调用方式 -->
    <param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro $(find urdf_rviz)/urdf/xacro/t4_123combine.xacro" />

    <!-- 启动 rivz -->
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf_rviz)/config/t1_car.rviz" />
    <!-- <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" /> -->
 
    <!-- 启动机器人状态和关节状态发布节点 -->
    <node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher" output="screen" />
    <node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" output="screen" />

    <!-- 启动图形化的控制关节运动节点 -->
    <node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" output="screen" />
</launch>

2.运行launch文件

①ctrl+shift+b编译

②打开新终端1

roscore

③打开新终端2

roslaunch urdf_rviz t4_xacro.launch

正常显示

五、小车运动（Arbotix）

1.安装Arbotix

下载源码

git clone https://github.com/vanadiumlabs/arbotix_ros.git

将下载好的文件夹复制到   工作空间/src  下

2.配置

（1）控制文件

在 src/config 目录下新建一个文件 control.yaml

# 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 controller
controllers: {
   # 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 
    }
}

（2）launch 文件中配置 arbotix 节点

在launch文件夹中新建一个 t5_arbotix.launch 文件，文件内容：

<launch>
    <!-- 将 xacro 文件内容设置进参数服务器 -->
    <!-- urdf调用方式 -->
    <!-- <param name="robot_description" textfile="$(find urdf_rviz)/urdf/urdf/t1_car.urdf" /> -->
    <!-- xacro调用方式 -->
    <param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro $(find urdf_rviz)/urdf/xacro/t4_123combine.xacro" />

    <!-- 启动 rivz -->
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf_rviz)/config/t1_car.rviz" />
    <!-- <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" /> -->
 
    <!-- 启动机器人状态和关节状态发布节点 -->
    <node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher" output="screen" />
    <node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" output="screen" />

    <!-- 集成 arbotix 运动控制节点，加载参数 -->
    <node name="arbotix" pkg="arbotix_python" type="arbotix_driver" output="screen">
        <!-- <rosparam file="$(find 工作空间)/config/文件名.yaml" command="load" /> -->
        <rosparam file="$(find urdf_rviz)/config/control.yaml" command="load" />
        <param name="sim" value="true" />
   </node>
</launch>

• <node> 调用了 arbotix_python 功能包下的 arbotix_driver 节点
• <rosparam> arbotix 驱动机器人运行时，需要获取机器人信息，可以通过 file 加载配置文件
• <param> 在仿真环境下，需要配置 sim 为 true

3.启动

1.运行launch，打开rviz

roslaunch urdf_rviz t5_arbotix.launch

2.设置Fixed name为odom

3.Add添加odometry

4.设置odometry的Topic为/odom（展示运动轨迹）

5.检验

打开一个终端，输入

rostopic list

发现有一个/cmd_vel，说明发布 cmd_vel 话题消息控制小车运动了

6.运动起来

通过自定义线速度角速度，使小车自动运动

rostopic pub -r 10 /cmd_vel geometry_msgs/Twist '{linear: {x: 0.2, y: 0, z: 0}, angular: {x: 0, y: 0, z: 0.5}}'