ROS机器人入门：机器人系统仿真【学习记录】—

最近闲来无事，重温了一下ROS方面的相关知识。先前的学习都是一带而过，发现差不多都忘了，学习的不够深入。因此，在重温的同时，于先前写下了2篇ROS架构与通信机制的博客：

对应的博客的链接为：

ROS架构的学习【Noetic】-CSDN博客

ROS实操：通信机制的实现-CSDN博客

以上的这些博客可以算是一些基础入门心得与学习记录，下面我们开始新的历程：ROS机器人系统仿真

~路漫漫其修远兮，吾将上下而求索~

1. 概述：

机器人系统仿真：是通过计算机对实体机器人系统进行模拟的技术，在 ROS 中，仿真实现涉及的内容主要有三:对机器人建模(URDF)、创建仿真环境(Gazebo)以及感知环境(Rviz)等系统性实现。

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。

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。

运行使用命令rviz或rosrun rviz rviz

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。

运行使用命令gazebo或rosrun gazebo_ros gazebo

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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

2. URDF集成Rviz基本流程

补充：这一部分我先前学习过【古月居】的相关课程，具体学习和心得的博客记录补充如下：

ROS建模：一起从零手写URDF模型：https://blog.csdn.net/qq_54900679/article/details/135726348?spm=1001.2014.3001.5501

ROS建模：从零手写机械臂的URDF模型：https://blog.csdn.net/qq_54900679/article/details/136872351?spm=1001.2014.3001.5501

一起来从Solidworks中导出URDF模型：https://blog.csdn.net/qq_54900679/article/details/137279115?spm=1001.2014.3001.5501

补充：一起来从Solidworks中导出机械臂的URDF模型：https://blog.csdn.net/qq_54900679/article/details/137342680?spm=1001.2014.3001.5501

关于在Ubuntu20.04（ROS1 noetic）中使用catkin_make编译时发生的与pyhton版本不兼容的问题解决办法：https://blog.csdn.net/qq_54900679/article/details/135780142?spm=1001.2014.3001.5501

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

下面进行实操演示，首先在自己的工作空间的src中新建一个功能包：

输入包名：urdf01_rviz ；导入依赖：urdf xacro 后回车，出现如下显示：

继续在urdf01_rviz文件夹当中创建一些文件夹：config、launch、urdf、meshes

在urdf文件夹当中再创建2个文件夹：urdf、xacro

其中urdf是用来存放urdf文件，xacro是存放urdf升级文件

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（domo01_helloworld.urdf）,复制如下内容:

<robot name="mycar">
    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="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（demo01_helloworld.launch），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 -->
    <param name="robot_description" textfile="$(find urdf01_rviz)/urdf/urdf/demo01_helloworld.urdf" />

    <!-- 启动 rviz -->
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" />

</launch>

具体的界面截图如下：

保存文件后，在VScode编辑器内可以source一下：

source ./devel/setup.bash

然后再执行：

roslaunch urdf01_rviz demo01_helloworld.launch

可以发现rviz启动成功：

但是没有模型显示，需要做一下如下的配置：

可以发现在rviz中显示模型成功！

如果想将这个模型保存，可以保存到config配置文件夹中（点击File-->Save Config As）

保存到工作空间中的当前项目中去，命名自定义即可：

可以发现多出了一个文件（我这里命名为show_mycar）

这样下次再启动launch文件时，只需要将这个配置读进来即可

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

优化后的launch文件如下图所示，红色方框为后续添加内容：

再次启动launch文件时，就可以包含之前的组件配置了，使用更方便快捷。

3. 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。

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

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://<packagename>/<path>/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

分别生成长方体、圆柱与球体的机器人部件。给出以下的urdf代码：

<!-- 需求：设置不同形状的机器人部件 -->
<robot name="mycar">

    <link name="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 -->
                <cylinder radius="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) -->
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <!-- 颜色: r=red g=green b=blue a=alpha -->
            <material name="black">
                <color rgba="0.7 0.5 0 0.5" />
            </material>
        </visual>
    </link>

</robot>

下面进行案例演示，将上面的urdf代码复制到demo02_link.urdf文件当中，然后再新建一个launch文件（demo02_link.launch）：

<launch>

    <!-- 设置参数 -->
    <param name="robot_description" textfile="$(find urdf01_rviz)/urdf/urdf/demo02_link.urdf" />

    <!-- 启动 rviz -->
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf01_rviz)/config/show_mycar.rviz" />

</launch>

保存文件后，在VScode编辑器内可以source一下：

source ./devel/setup.bash

然后再执行：

roslaunch urdf01_rviz demo02_link.launch

可以发现圆柱成功地显示了出来：

下面演示如何加载meshes，需要下载素材链接，找一个文件目录在终端执行:

git clone https://github.com/zx595306686/sim_demo.git

将其中的2个STL文件复制到meshes文件夹当中，并在urdf文件的代码中添加如下一行：

<mesh filename="package://urdf01_rviz/meshes/autolabor_mini.stl"/>

保存文件后，然后再执行launch指令：

roslaunch urdf01_rviz demo02_link.launch

可以发现，我们自己所添加的模型显示了出来：

但是，这个机器人模型的显示姿态好像不对，我们如何将它的显示摆正呢？下面我们给出解决方法：观察xyz坐标系，默认车头沿着x轴的正方向，只需绕x轴逆时针转90°即可：

修改urdf代码中的origin部分，先将 r 设置为1.57：

<origin xyz="0 0 0" rpy="1.57 0 0" />

保存文件后，然后再执行launch指令，可以发现，小车摆正了，但车头还没朝向x轴正方向。紧接着，我们进行第二步，绕z轴转动90°：

修改urdf代码中的origin部分，将rpy中的 y 设置为1.57：

<origin xyz="0 0 0" rpy="1.57 0 1.57" />

保存文件后，然后再执行launch指令，可以发现小车摆正了姿态：

于是问题得到了解决！

下面继续来介绍关节：

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。

注意：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

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。新建一个urdf文件：demo03_joint.urdf，并给出相关的urdf文件代码：

<!-- 
    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

 -->
<robot name="mycar">
    <!-- 底盘 -->
    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.5 0.2 0.1" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="blue">
                <color rgba="0 0 1.0 0.5" />
            </material>
        </visual>
    </link>

    <!-- 摄像头 -->
    <link name="camera">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.02 0.05 0.05" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="red">
                <color rgba="1 0 0 0.5" />
            </material>
        </visual>
    </link>

    <!-- 关节 -->
    <joint name="camera2baselink" type="continuous">
        <parent link="base_link"/>
        <child link="camera" />
        <!-- 需要计算两个 link 的物理中心之间的偏移量 -->
        <origin xyz="0.2 0 0.075" rpy="0 0 0" />
        <axis xyz="0 0 1" />
    </joint>

</robot>

接着给出相关的launch文件（demo03_joint.launch）代码：

<launch>

    <param name="robot_description" textfile="$(find urdf01_rviz)/urdf/urdf/demo03_joint.urdf" />
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf01_rviz)/config/show_mycar.rviz" /> 

    <!-- 添加关节状态发布节点 -->
    <node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher" />
    <!-- 添加机器人状态发布节点 -->
    <node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" />
    <!-- 可选:用于控制关节运动的节点 -->
    <node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" />

</launch>

保存文件后，然后再执行launch指令：

roslaunch urdf01_rviz demo03_joint.launch

可以发现我们的模型显示成功，拖动关节滑动条可以观察红色小方块产生了旋转：

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

下面给出优化后的urdf代码（demo04_base_footprint.urdf）：

<!--

    使用 base_footprint 优化

-->
<robot name="mycar">
    <!-- 设置一个原点(机器人中心点的投影) -->
    <link name="base_footprint">
        <visual>
            <geometry>
                <sphere radius="0.001" />
            </geometry>
        </visual>
    </link>

    <!-- 添加底盘 -->
    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.5 0.2 0.1" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="blue">
                <color rgba="0 0 1.0 0.5" />
            </material>
        </visual>
    </link>

    <!-- 底盘与原点连接的关节 -->
    <joint name="base_link2base_footprint" type="fixed">
        <parent link="base_footprint" />
        <child link="base_link" />
        <origin xyz="0 0 0.05" />
    </joint>

    <!-- 添加摄像头 -->
    <link name="camera">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.02 0.05 0.05" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="red">
                <color rgba="1 0 0 0.5" />
            </material>
        </visual>
    </link>
    <!-- 关节 -->
    <joint name="camera2baselink" type="continuous">
        <parent link="base_link"/>
        <child link="camera" />
        <origin xyz="0.2 0 0.075" rpy="0 0 0" />
        <axis xyz="0 0 1" />
    </joint>

</robot>

接着给出相关的launch文件（demo04_base_footprint.launch）代码：

<launch>

    <param name="robot_description" textfile="$(find urdf01_rviz)/urdf/urdf/demo04_base_footprint.urdf" />
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf01_rviz)/config/show_mycar.rviz" /> 

    <!-- 添加关节状态发布节点 -->
    <node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher" />
    <!-- 添加机器人状态发布节点 -->
    <node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" />
    <!-- 可选:用于控制关节运动的节点 -->
    <node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" />

</launch>

保存文件后，然后再执行launch指令：

roslaunch urdf01_rviz demo04_base_footprint.launch

再将 Fixed Frame 修改为 base_footprint 后，可以发现机器人模型的半沉问题得到了解决：

URDF练习

在上述的URDF语法详解学完之后，我们可以来次练习：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)

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

下面给出对应的urdf 文件如下（demo05_test.urdf）：

<robot name="mycar">
    <!-- 设置 base_footprint  -->
    <link name="base_footprint">
        <visual>
            <geometry>
                <sphere radius="0.001" />
            </geometry>
        </visual>
    </link>

    <!-- 添加底盘 -->
    <!-- 
        参数
            形状:圆柱 
            半径:10     cm 
            高度:8      cm 
            离地:1.5    cm

    -->
    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.1" length="0.08" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="yellow">
                <color rgba="0.8 0.3 0.1 0.5" />
            </material>
        </visual>
    </link>

    <joint name="base_link2base_footprint" type="fixed">
        <parent link="base_footprint" />
        <child link="base_link"/>
        <origin xyz="0 0 0.055" />
    </joint>

    <!-- 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
    -->
    <link name="left_wheel">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.0325" length="0.015" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="1.5705 0 0" />
            <material name="black">
                <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
            </material>
        </visual>

    </link>

    <joint name="left_wheel2base_link" type="continuous">
        <parent link="base_link" />
        <child link="left_wheel" />
        <origin xyz="0 0.1 -0.0225" />
        <axis xyz="0 1 0" />
    </joint>


    <link name="right_wheel">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.0325" length="0.015" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="1.5705 0 0" />
            <material name="black">
                <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
            </material>
        </visual>

    </link>

    <joint name="right_wheel2base_link" type="continuous">
        <parent link="base_link" />
        <child link="right_wheel" />
        <origin xyz="0 -0.1 -0.0225" />
        <axis xyz="0 1 0" />
    </joint>

    <!-- 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

    -->
    <link name="front_wheel">
        <visual>
            <geometry>
                <sphere radius="0.0075" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="black">
                <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
            </material>
        </visual>
    </link>

    <joint name="front_wheel2base_link" type="continuous">
        <parent link="base_link" />
        <child link="front_wheel" />
        <origin xyz="0.0925 0 -0.0475" />
        <axis xyz="1 1 1" />
    </joint>

    <link name="back_wheel">
        <visual>
            <geometry>
                <sphere radius="0.0075" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="black">
                <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
            </material>
        </visual>
    </link>

    <joint name="back_wheel2base_link" type="continuous">
        <parent link="base_link" />
        <child link="back_wheel" />
        <origin xyz="-0.0925 0 -0.0475" />
        <axis xyz="1 1 1" />
    </joint>

</robot>

给出对应的launch文件如下（demo05_test.launch）：

<launch>
    <!-- 将 urdf 文件内容设置进参数服务器 -->
    <param name="robot_description" textfile="$(find urdf01_rviz)/urdf/urdf/demo05_test.urdf" />

    <!-- 启动 rivz -->
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf01_rviz)/config/show_mycar.rviz" />

    <!-- 启动机器人状态和关节状态发布节点 -->
    <node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" />
    <node pkg="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 -->
    <node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" />

</launch>

保存文件后，然后再执行launch指令：

roslaunch urdf01_rviz demo05_test.launch

可以发现四轮圆柱状机器人模型显示成功：

URDF工具

这一节的最后，我们来看一下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

以demo05_test.urdf文件为例子，在urdf的文件夹中开启一个终端并执行：

check_urdf demo05_test.urdf

可以发现终端显示如下输出，说明文件合法：

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

以demo05_test.urdf文件为例子，在urdf的文件夹中开启一个终端并执行：

urdf_to_graphiz demo05_test.urdf

可以发现在urdf的文件夹中新生成了2个文件：

下面来打开mycar.pdf文件进行查看：

这个被解析出的PDF文件描述了urdf模型的层级关系，以树形结构显示。

下面进行新内容的学习与记录：

4. URDF优化_xacro

在前面的URDF文件学习后，仅仅对URDF模型进行可视化是单一的，需要对URDF文件进行升级（优化）。在 ROS 中，已经给出了类似编程的优化方案，称之为:Xacro

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

原理：Xacro 可以声明变量，可以通过数学运算求解，使用流程控制控制执行顺序，还可以通过类似函数的实现，封装固定的逻辑，将逻辑中需要的可变的数据以参数的方式暴露出去，从而提高代码复用率以及程序的安全性。

所以，较之于先前纯粹的 URDF 实现，可以编写更安全、精简、易读性更强的机器人模型文件（Xacro），且可以提高编写效率。

下面开始进行 Xacro 的快速体验：

首先需要编写 Xacro 文件，以变量的方式封装属性(常量半径、高度、车轮半径...)，以函数的方式封装重复实现(车轮的添加)。

使用xacro优化上一节案例中驱动轮实现，需要使用变量封装底盘的半径、高度，使用数学公式动态计算底盘的关节点坐标，使用 Xacro 宏封装轮子重复的代码并调用宏创建两个轮子(注意: 在此，演示 Xacro 的基本使用，不必要生成合法的 URDF )。

需要创建功能包，导入 urdf 与 xacro。这个之间沿用先前的功能即可，无需重新创建。

下面给出xacro文件（demo01_helloworld.xacro）的相关代码：

<robot name="mycar" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
    <!-- 属性封装 -->
    <xacro:property name="wheel_radius" value="0.0325" />
    <xacro:property name="wheel_length" value="0.0015" />
    <xacro:property name="PI" value="3.1415927" />
    <xacro:property name="base_link_length" value="0.08" />
    <xacro:property name="lidi_space" value="0.015" />

    <!-- 宏 -->
    <xacro:macro name="wheel_func" params="wheel_name flag" >
        <link name="${wheel_name}_wheel">
            <visual>
                <geometry>
                    <cylinder radius="${wheel_radius}" length="${wheel_length}" />
                </geometry>

                <origin xyz="0 0 0" rpy="${PI / 2} 0 0" />

                <material name="wheel_color">
                    <color rgba="0 0 0 0.3" />
                </material>
            </visual>
        </link>

        <!-- 3-2.joint -->
        <joint name="${wheel_name}2link" type="continuous">
            <parent link="base_link"  />
            <child link="${wheel_name}_wheel" />
            <!-- 
                x 无偏移
                y 车体半径
                z z= 车体高度 / 2 + 离地间距 - 车轮半径

            -->
            <origin xyz="0 ${0.1 * flag} ${(base_link_length / 2 + lidi_space - wheel_radius) * -1}" rpy="0 0 0" />
            <axis xyz="0 1 0" />
        </joint>

    </xacro:macro>
    <xacro:wheel_func wheel_name="left" flag="1" />
    <xacro:wheel_func wheel_name="right" flag="-1" />
</robot>

注意：在ROS中，Xacro文件是不能被直接识别的。需要先将Xacro文件转化为URDF文件，转换的指令如下(先启动 roscore 节点，再进入到Xacro文件夹内)：

rosrun xacro xacro demo01_helloworld.xacro

终端打印结果如下，生成了一大段文本（其实就是生成了urdf文件的内容）：

更常见的作法是将上面的解析结果保存到urdf文件当中，使用如下指令：

rosrun xacro xacro demo01_helloworld.xacro > demo01_helloworld.urdf

可以发现，在Xacro文件夹内新生成了一个urdf文件：

这个生成的urdf结果与之前终端打印的结构是一样的，给出生成的urdf代码：

<?xml version="1.0" ?>
<!-- =================================================================================== -->
<!-- |    This document was autogenerated by xacro from demo01_helloworld.xacro        | -->
<!-- |    EDITING THIS FILE BY HAND IS NOT RECOMMENDED                                 | -->
<!-- =================================================================================== -->
<robot name="mycar">
  <link name="left_wheel">
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder length="0.0015" radius="0.0325"/>
      </geometry>
      <origin rpy="1.57079635 0 0" xyz="0 0 0"/>
      <material name="wheel_color">
        <color rgba="0 0 0 0.3"/>
      </material>
    </visual>
  </link>
  <!-- 3-2.joint -->
  <joint name="left2link" type="continuous">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="left_wheel"/>
    <!-- 
                x 无偏移
                y 车体半径
                z z= 车体高度 / 2 + 离地间距 - 车轮半径

            -->
    <origin rpy="0 0 0" xyz="0 0.1 -0.0225"/>
    <axis xyz="0 1 0"/>
  </joint>
  <link name="right_wheel">
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder length="0.0015" radius="0.0325"/>
      </geometry>
      <origin rpy="1.57079635 0 0" xyz="0 0 0"/>
      <material name="wheel_color">
        <color rgba="0 0 0 0.3"/>
      </material>
    </visual>
  </link>
  <!-- 3-2.joint -->
  <joint name="right2link" type="continuous">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="right_wheel"/>
    <!-- 
                x 无偏移
                y 车体半径
                z z= 车体高度 / 2 + 离地间距 - 车轮半径

            -->
    <origin rpy="0 0 0" xyz="0 -0.1 -0.0225"/>
    <axis xyz="0 1 0"/>
  </joint>
</robot>

注意: 该案例编写生成的是非法的 URDF 文件，目的在于演示 Xacro 的极简使用以及优点。

Xacro的语法详解

xacro 提供了可编程接口，类似于计算机语言，包括变量声明调用、函数声明与调用等语法实现。

在使用 xacro 生成 urdf 时，根标签robot中必须包含命名空间声明: xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro"

1.属性与算数运算

用于封装 URDF 中的一些字段，比如: PAI 值，小车的尺寸，轮子半径 ....

属性定义：

<xacro:property name="xxxx" value="yyyy" />

属性调用：

${属性名称}

算数运算：

${数学表达式}

2.宏

类似于函数实现，提高代码复用率，优化代码结构，提高安全性

宏定义

<xacro:macro name="宏名称" params="参数列表(多参数之间使用空格分隔)">

    .....

    参数调用格式: ${参数名}

</xacro:macro>

宏调用

<xacro:宏名称 参数1=xxx 参数2=xxx/>

3.文件包含

机器人由多部件组成，不同部件可能封装为单独的 xacro 文件，最后再将不同的文件集成，组合为完整机器人，可以使用文件包含实现

文件包含

<robot name="xxx" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
      <xacro:include filename="my_base.xacro" />
      <xacro:include filename="my_camera.xacro" />
      <xacro:include filename="my_laser.xacro" />
      ....
</robot>

Xacro的完整使用流程示例

这一部分才是实操的精华所在，使用 Xacro 优化 URDF 版的小车底盘模型实现

1.编写 Xacro 文件

下面进入到xacro文件夹中新建一个文件（demo_car_base.xacro）：

<!--
    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

-->
<!-- 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>
    <!-- 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 -->
    <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 -->
    <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>
    <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>

      <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>

    <xacro:add_support_wheel name="front" flag="1" />
    <xacro:add_support_wheel name="back" flag="-1" />

</robot>

注意：demo_car_base.xacro文件是参考demo05_test.urdf文件编写出来的

下面进入到xacro文件夹下开启一个终端，运行：

rosrun xacro xacro demo_car_base.xacro > demo_car_base.urdf

可以发现成功生成了demo_car_base.urdf文件：

为了验证这个urdf的生成是正确的，可以运行如下指令：

check_urdf demo_car_base.urdf

发现没有抛异常，说明这个urdf文件是没有问题的

2.集成launch文件

方式1:先将 xacro 文件转换出 urdf 文件，然后集成

先将 xacro 文件解析成 urdf 文件:rosrun xacro xacro xxx.xacro > xxx.urdf然后再按照之前的集成方式直接整合 launch 文件,内容示例（新建一个launch文件：demo06_car_base.launch）:

<launch>
    <param name="robot_description" textfile="$(find urdf01_rviz)/urdf/xacro/demo_car_base.urdf" />

    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf01_rviz)/config/show_mycar.rviz" />
    <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" />
    <node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" output="screen" />

</launch>

保存文件后，进入当前的工作空间source一下，然后再执行launch指令：

conda activate hjx

roslaunch urdf01_rviz demo06_car_base.launch

可以发现rviz中显示正常：

方式2: 无需中间文件urdf，在 launch 文件中直接加载 xacro(建议使用)

注意：加载robot_description时使用command属性，属性值就是调用 xacro 功能包的 xacro 程序直接解析 xacro 文件。

launch 内容示例（新建一个launch文件：demo07_car_base.launch）:

<launch>
    <param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro $(find urdf01_rviz)/urdf/xacro/demo_car_base.xacro" />

    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf01_rviz)/config/show_mycar.rviz" />
    <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" />
    <node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" output="screen" />

</launch>

保存文件后，进入当前的工作空间source一下，然后再执行launch指令：

conda activate hjx

roslaunch urdf01_rviz demo07_car_base.launch

同样可以发现rviz中显示正常：

Xacro的实操

在前面小车底盘基础之上，添加摄像头和雷达传感器。机器人模型由多部件组成，可以将不同组件设置进单独文件，最终通过文件包含实现组件的拼装。

实现流程:

首先编写摄像头和雷达的 xacro 文件
然后再编写一个组合文件，组合底盘、摄像头与雷达
最后，通过 launch 文件启动 Rviz 并显示模型

1.摄像头和雷达 Xacro 文件实现

摄像头 xacro 文件（demo_car_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>

雷达 xacro 文件（demo_car_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>

2.组合底盘摄像头与雷达的 xacro 文件

需要再新建一个xacro的集成文件（car.xacro）：

<!-- 组合小车底盘与摄像头与雷达 -->
<robot name="mycar" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
    <xacro:include filename="demo_car_base.xacro" />
    <xacro:include filename="demo_car_camera.xacro" />
    <xacro:include filename="demo_car_laser.xacro" />
</robot>

3.launch 文件

最后编写launch文件（car.launch）：

<launch>
    <param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro $(find urdf01_rviz)/urdf/xacro/car.xacro" />

    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf01_rviz)/config/show_mycar.rviz" />
    <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" />
    <node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" output="screen" />

</launch>

保存文件后，进入当前的工作空间source一下，然后再执行launch指令：