Chapter4：机器人仿真

news2024/11/25 23:33:11

R O S 1 {\rm ROS1} ROS1的基础及应用，基于古月的课，各位可以去看，基于 h a w k b o t {\rm hawkbot} hawkbot机器人进行实际操作。
R O S {\rm ROS} ROS版本： R O S 1 {\rm ROS1} ROS1的 M e l o d i c {\rm Melodic} Melodic；实际机器人： H a w k b o t {\rm Hawkbot} Hawkbot；

1.机器人URDF模型优化

  1. U R D F {\rm URDF} URDF模型进化版本– x a c r o {\rm xacro} xacro模型文件

    1. 精简模型代码
      • 创建宏定义；
      • 文件包含；
    2. 提供可编程接口
      • 常量；
      • 变量；
      • 数学计算；
      • 条件语句；

  2. 常量定义

    # 常量定义
<xacro:property name="M_PI" value="3.14159" />

# 常量使用
<origin xyz="0 0 0" ryp="${M_PI/2} 0 0" />

  3. 数学计算

    # 数学计算
<origin xyz="0 ${(motor_length+wheel_length)/2} 0" rpy="0 0 0"/>

  4. 宏定义

    # 宏定义
<xacro:macro name="name" params="A B C">
...
</xacro:macro>

# 宏调用
<name A="A_value" B="B_value" C="C_value" />

  5. 文件包含

    # 文件包含
<xacro:include filename="$(find mbot_description)/urdf/xacro/mbot_base.xacro" />

2.使用xacro建立模型

# 1.在urdf文件夹下建立xacro文件夹
mkdir xacro

# 在xacro目录下新建mbot_base.xacro和mbot.xacro文件
# 文件内容见下个代码块，请勿直接复制粘贴
touch mbot_base.xacro mbot.xacro

# 2.新建display_mbot_base_xacro.launch文件
# 文件内容见下个代码块，请勿直接复制粘贴
touch display_mbot_base_xacro.launch

# 3.模型显示
# 法1：将xacro文件转换成URDF文件显示
rosrun xacro xacro.py mbot.xacro > mbot.urdf

# 法2：直接调用xacro文件解析器，在.launch文件中写入
<arg name="model" default="$(find xacro)/xacro--inorder'$(find mbot_description)/urdf/xacro/mbot.xacro'" />

<param name="robot_description" command="$(arg model)" />

# 4.启动.launch文件
roslaunch mbot_description display_mbot_base_xacro.launch

# mbot_base.xacro文件内容
<?xml version="1.0"?>
<robot name="mbot" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro">

    <!-- PROPERTY LIST -->
    <xacro:property name="M_PI" value="3.1415926"/>
    <xacro:property name="base_radius" value="0.20"/>
    <xacro:property name="base_length" value="0.16"/>

    <xacro:property name="wheel_radius" value="0.06"/>
    <xacro:property name="wheel_length" value="0.025"/>
    <xacro:property name="wheel_joint_y" value="0.19"/>
    <xacro:property name="wheel_joint_z" value="0.05"/>

    <xacro:property name="caster_radius" value="0.015"/> <!-- wheel_radius - ( base_length/2 - wheel_joint_z) -->
    <xacro:property name="caster_joint_x" value="0.18"/>

    <!-- Defining the colors used in this robot -->
    <material name="yellow">
        <color rgba="1 0.4 0 1"/>
    </material>
    <material name="black">
        <color rgba="0 0 0 0.95"/>
    </material>
    <material name="gray">
        <color rgba="0.75 0.75 0.75 1"/>
    </material>
    
    <!-- Macro for robot wheel -->
    <xacro:macro name="wheel" params="prefix reflect">
        <joint name="${prefix}_wheel_joint" type="continuous">
            <origin xyz="0 ${reflect*wheel_joint_y} ${-wheel_joint_z}" rpy="0 0 0"/>
            <parent link="base_link"/>
            <child link="${prefix}_wheel_link"/>
            <axis xyz="0 1 0"/>
        </joint>

        <link name="${prefix}_wheel_link">
            <visual>
                <origin xyz="0 0 0" rpy="${M_PI/2} 0 0" />
                <geometry>
                    <cylinder radius="${wheel_radius}" length = "${wheel_length}"/>
                </geometry>
                <material name="gray" />
            </visual>
        </link>
    </xacro:macro>

    <!-- Macro for robot caster -->
    <xacro:macro name="caster" params="prefix reflect">
        <joint name="${prefix}_caster_joint" type="continuous">
            <origin xyz="${reflect*caster_joint_x} 0 ${-(base_length/2 + caster_radius)}" rpy="0 0 0"/>
            <parent link="base_link"/>
            <child link="${prefix}_caster_link"/>
            <axis xyz="0 1 0"/>
        </joint>

        <link name="${prefix}_caster_link">
            <visual>
                <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
                <geometry>
                    <sphere radius="${caster_radius}" />
                </geometry>
                <material name="black" />
            </visual>
        </link>
    </xacro:macro>

    <xacro:macro name="mbot_base">
        <link name="base_footprint">
            <visual>
                <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
                <geometry>
                    <box size="0.001 0.001 0.001" />
                </geometry>
            </visual>
        </link>

        <joint name="base_footprint_joint" type="fixed">
            <origin xyz="0 0 ${base_length/2 + caster_radius*2}" rpy="0 0 0" />        
            <parent link="base_footprint"/>
            <child link="base_link" />
        </joint>

        <link name="base_link">
            <visual>
                <origin xyz=" 0 0 0" rpy="0 0 0" />
                <geometry>
                    <cylinder length="${base_length}" radius="${base_radius}"/>
                </geometry>
                <material name="yellow" />
            </visual>
        </link>

        <wheel prefix="left" reflect="-1"/>
        <wheel prefix="right" reflect="1"/>

        <caster prefix="front" reflect="-1"/>
        <caster prefix="back" reflect="1"/>
    </xacro:macro>
</robot>

# mbot.xacro文件内容
<?xml version="1.0"?>
<robot name="arm" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro">

    <xacro:include filename="$(find mbot_description)/urdf/xacro/mbot_base.xacro" />

    <mbot_base/>

</robot>

# display_mbot_base_xacro.launch文件内容
<launch>
	<arg name="model" default="$(find xacro)/xacro --inorder '$(find mbot_description)/urdf/xacro/mbot.xacro'" />
	<arg name="gui" default="true" />

	<param name="robot_description" command="$(arg model)" />

    <!-- 设置GUI参数，显示关节控制插件 -->
	<param name="use_gui" value="$(arg gui)"/>

    <!-- 运行joint_state_publisher节点，发布机器人的关节状态  -->
	<node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" />

	<!-- 运行robot_state_publisher节点，发布tf  -->
	<node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" />

    <!-- 运行rviz可视化界面 -->
	<node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz" args="-d $(find mbot_description)/config/mbot.rviz" required="true" />

</launch>

3.ArbotiX+rviz功能仿真

  1. A r b o t i X {\rm ArbotiX} ArbotiX简介

    • 一款控制电机、舵机的硬件控制板；
    • 提供了相应的 R O S {\rm ROS} ROS功能包；
    • 提供了一个差速控制器，通过接收速度控制指令，更新机器人的里程计状态；

  2. A r b o t i X {\rm ArbotiX} ArbotiX安装

    # ros相关信息：Ubuntu 18.04+melodic
# 1.下载ArbotiX功能包
cd willard_ws/src/
git clone -b indigo-devel
https://github.com/vanadiumlabs/arbotix_ros.git

# 2.工作空间下编译
cd ~/willard_ws/
catkin_make

  3. 配置 A r b o t i X {\rm ArbotiX} ArbotiX控制器

    # 1.创建launch文件
cd willard_ws/src/mbot_description/launch/xacro/

# 文件内容见下个代码块，请勿直接复制粘贴
touch arbotix_mbot_with_camera_xacro.launch

# 2.创建配置文件
cd willard_ws/src/mbot_description/config/

# 文件内容见下个代码块，请勿直接复制粘贴
touch fake_mbot_arbotix.yaml

# 3.启动仿真器
roslaunch mbot_description arbotix_mbot_with_camera_xacro.launch

# 4.键盘控制相关
# 4.1 新建mbot_teleop功能包
catkin_create_pkg willard_teleop roscpp std_msgs rospy

# 4.2 在willard_teleop下创建launch、scripts文件夹
mkdir launch scripts

# 4.3 在/scripts文件夹下创建.py文件
# 文件内容见下个代码块，请勿直接复制粘贴
touch willard_teleop.py

# 4.4 给.py文件添加可执行权限
chmod 777 willard_teleop.py

# 4.5 新建.launch文件
# 文件内容见下个代码块，请勿直接复制粘贴
touch willard_teleop.launch 

# 5.启动键盘控制
roslaunch willard_teleop willard_teleop.launch


    # arbotix_mbot_with_camera_xacro.launch文件内容
<launch>
	<arg name="model" default="$(find xacro)/xacro --inorder '$(find mbot_description)/urdf/xacro/mbot_with_camera.xacro'" />
	<arg name="gui" default="false" />

	<param name="robot_description" command="$(arg model)" />

    <!-- 设置GUI参数，显示关节控制插件 -->
	<param name="use_gui" value="$(arg gui)"/>

	<node name="arbotix" pkg="arbotix_python" type="arbotix_driver" output="screen">
        <rosparam file="$(find mbot_description)/config/fake_mbot_arbotix.yaml" command="load" />
        <param name="sim" value="true"/>
    </node>

    <!-- 运行joint_state_publisher节点，发布机器人的关节状态  -->
	<node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" />

	<!-- 运行robot_state_publisher节点，发布tf  -->
	<node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" />

    <!-- 运行rviz可视化界面 -->
	<node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz" args="-d $(find mbot_description)/config/mbot_arbotix.rviz" required="true" />

</launch>


    # fake_mbot_arbotix.yaml文件内容
controllers: {
   base_controller: {
       type: diff_controller, 
       base_frame_id: base_footprint, 
       base_width: 0.26, 
       ticks_meter: 4100, 
       Kp: 12, 
       Kd: 12, 
       Ki: 0, 
       Ko: 50, 
       accel_limit: 1.0 
    }
}


    # willard_teleop.py文件内容
#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-

import rospy
from geometry_msgs.msg import Twist
import sys, select, termios, tty

msg = """
Control mbot!
---------------------------
Moving around:
   u    i    o
   j    k    l
   m    ,    .

q/z : increase/decrease max speeds by 10%
w/x : increase/decrease only linear speed by 10%
e/c : increase/decrease only angular speed by 10%
space key, k : force stop
anything else : stop smoothly

CTRL-C to quit
"""

moveBindings = {
        'i':(1,0),
        'o':(1,-1),
        'j':(0,1),
        'l':(0,-1),
        'u':(1,1),
        ',':(-1,0),
        '.':(-1,1),
        'm':(-1,-1),
           }

speedBindings={
        'q':(1.1,1.1),
        'z':(.9,.9),
        'w':(1.1,1),
        'x':(.9,1),
        'e':(1,1.1),
        'c':(1,.9),
          }

def getKey():
    tty.setraw(sys.stdin.fileno())
    rlist, _, _ = select.select([sys.stdin], [], [], 0.1)
    if rlist:
        key = sys.stdin.read(1)
    else:
        key = ''

    termios.tcsetattr(sys.stdin, termios.TCSADRAIN, settings)
    return key

speed = .2
turn = 1

def vels(speed,turn):
    return "currently:\tspeed %s\tturn %s " % (speed,turn)

if __name__=="__main__":
    settings = termios.tcgetattr(sys.stdin)
    
    rospy.init_node('mbot_teleop')
    pub = rospy.Publisher('/cmd_vel', Twist, queue_size=5)

    x = 0
    th = 0
    status = 0
    count = 0
    acc = 0.1
    target_speed = 0
    target_turn = 0
    control_speed = 0
    control_turn = 0
    try:
        print msg
        print vels(speed,turn)
        while(1):
            key = getKey()
            # 运动控制方向键（1：正方向，-1负方向）
            if key in moveBindings.keys():
                x = moveBindings[key][0]
                th = moveBindings[key][1]
                count = 0
            # 速度修改键
            elif key in speedBindings.keys():
                speed = speed * speedBindings[key][0]  # 线速度增加0.1倍
                turn = turn * speedBindings[key][1]    # 角速度增加0.1倍
                count = 0

                print vels(speed,turn)
                if (status == 14):
                    print msg
                status = (status + 1) % 15
            # 停止键
            elif key == ' ' or key == 'k' :
                x = 0
                th = 0
                control_speed = 0
                control_turn = 0
            else:
                count = count + 1
                if count > 4:
                    x = 0
                    th = 0
                if (key == '\x03'):
                    break

            # 目标速度=速度值*方向值
            target_speed = speed * x
            target_turn = turn * th

            # 速度限位，防止速度增减过快
            if target_speed > control_speed:
                control_speed = min( target_speed, control_speed + 0.02 )
            elif target_speed < control_speed:
                control_speed = max( target_speed, control_speed - 0.02 )
            else:
                control_speed = target_speed

            if target_turn > control_turn:
                control_turn = min( target_turn, control_turn + 0.1 )
            elif target_turn < control_turn:
                control_turn = max( target_turn, control_turn - 0.1 )
            else:
                control_turn = target_turn

            # 创建并发布twist消息
            twist = Twist()
            twist.linear.x = control_speed; 
            twist.linear.y = 0; 
            twist.linear.z = 0
            twist.angular.x = 0; 
            twist.angular.y = 0; 
            twist.angular.z = control_turn
            pub.publish(twist)

    except:
        print e

    finally:
        twist = Twist()
        twist.linear.x = 0; twist.linear.y = 0; twist.linear.z = 0
        twist.angular.x = 0; twist.angular.y = 0; twist.angular.z = 0
        pub.publish(twist)

    termios.tcsetattr(sys.stdin, termios.TCSADRAIN, settings)


    # willard_teleop.launch
<launch>
  <node name="willard_teleop" pkg="willard_teleop" type="willard_teleop.py" output="screen">
    <param name="scale_linear" value="0.1" type="double"/>
    <param name="scale_angular" value="0.4" type="double"/>
  </node>
</launch>

  4. 仿真效果图

    1

4.Gazebo物理仿真环境搭建

4.1 ros_control

  1. r o s _ c o n t r o l {\rm ros\_control} ros_control简介

    • R O S {\rm ROS} ROS为开发者提供的机器人控制中间件；
    • 包含一系列控制器接口、传动装置接口、硬件接口、控制器工具等；
    • 可以帮助机器人应用功能包快速落地，提高开发效率；

  2. r o s _ c o n t r o l {\rm ros\_control} ros_control框架

    2

    3

    • 控制器管理器：提供一种通用的接口来管理不同的控制器；
    • 控制器：读取硬件状态，发布控制命令，完成每个 j o i n t {\rm joint} joint的控制；
    • 硬件资源：为上下两层提供硬件资源的接口；
    • 机器人硬件抽象：机器人硬件抽象和硬件资源直接打交道，通过 w r i t e {\rm write} write和 r e a d {\rm read} read方法完成硬件操作；
    • 真实机器人：执行接收到的命令；

    4

  3. 控制器 ( c o n t r o l l e r s ) ({\rm controllers}) (controllers)介绍

    5

4.2 仿真步骤
  1. 配置机器人模型；
  2. 创建仿真环境；
  3. 开始仿真；
4.2.1 配置物理仿真模型
  • S T E P 1 {\rm STEP1} STEP1：为 l i n k {\rm link} link添加惯性参数和碰撞属性；
  • S T E P 2 {\rm STEP2} STEP2：为 l i n k {\rm link} link添加 g a z e b o {\rm gazebo} gazebo标签；
  • S T E P 3 {\rm STEP3} STEP3：为 j o i n t {\rm joint} joint添加传动装置；
  • S T E P 4 {\rm STEP4} STEP4：添加 g a z e b o {\rm gazebo} gazebo控制器插件；
    • < r o b o t N a m e s p a c e {\rm robotNamespace} robotNamespace>：机器人的命名空间；
    • < l e f t J o i n t {\rm leftJoint} leftJoint>和< r i g h t J o i n t {\rm rightJoint} rightJoint>：左右轮转动的关节 j o i n t {\rm joint} joint；
    • < w h e e l S e p a r a t i o n {\rm wheelSeparation} wheelSeparation>和< w h e e l D i a m e t e r {\rm wheelDiameter} wheelDiameter>：机器人模型的相关尺寸，在计算差速参数时需要使用；
    • < c o m m a n d T o p i c {\rm commandTopic} commandTopic>：控制器订阅的速度控制指令，生成全局命名时需要结合< r o b o t N a m e s p a c e {\rm robotNamespace} robotNamespace>中设置的命名空间；
    • < o d o m e t r y F r a m e {\rm odometryFrame} odometryFrame>：里程计数据的参考坐标系， R O S {\rm ROS} ROS中一般命名为 o d o m {\rm odom} odom；

物理仿真模型配置实例：

# mbot_base_gazebo.xacro文件内容

<?xml version="1.0"?>
<robot name="mbot" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro">

    <!-- PROPERTY LIST -->
    <xacro:property name="M_PI" value="3.1415926"/>
    <xacro:property name="base_mass"   value="20" /> 
    <xacro:property name="base_radius" value="0.20"/>
    <xacro:property name="base_length" value="0.16"/>

    <xacro:property name="wheel_mass"   value="2" />
    <xacro:property name="wheel_radius" value="0.06"/>
    <xacro:property name="wheel_length" value="0.025"/>
    <xacro:property name="wheel_joint_y" value="0.19"/>
    <xacro:property name="wheel_joint_z" value="0.05"/>

    <xacro:property name="caster_mass"    value="0.5" /> 
    <xacro:property name="caster_radius"  value="0.015"/> <!-- wheel_radius - ( base_length/2 - wheel_joint_z) -->
    <xacro:property name="caster_joint_x" value="0.18"/>

    <!-- Defining the colors used in this robot -->
    <material name="yellow">
        <color rgba="1 0.4 0 1"/>
    </material>
    <material name="black">
        <color rgba="0 0 0 0.95"/>
    </material>
    <material name="gray">
        <color rgba="0.75 0.75 0.75 1"/>
    </material>
    
    <!-- Macro for inertia matrix -->
    <xacro:macro name="sphere_inertial_matrix" params="m r">
        <inertial>
            <mass value="${m}" />
            <inertia ixx="${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:macro name="cylinder_inertial_matrix" params="m r h">
        <inertial>
            <mass value="${m}" />
            <inertia ixx="${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>

    <!-- Macro for robot wheel -->
    <xacro:macro name="wheel" params="prefix reflect">
        <joint name="${prefix}_wheel_joint" type="continuous">
            <origin xyz="0 ${reflect*wheel_joint_y} ${-wheel_joint_z}" rpy="0 0 0"/>
            <parent link="base_link"/>
            <child link="${prefix}_wheel_link"/>
            <axis xyz="0 1 0"/>
        </joint>

        <link name="${prefix}_wheel_link">
            <visual>
                <origin xyz="0 0 0" rpy="${M_PI/2} 0 0" />
                <geometry>
                    <cylinder radius="${wheel_radius}" length = "${wheel_length}"/>
                </geometry>
                <material name="gray" />
            </visual>
            <collision>
                <origin xyz="0 0 0" rpy="${M_PI/2} 0 0" />
                <geometry>
                    <cylinder radius="${wheel_radius}" length = "${wheel_length}"/>
                </geometry>
            </collision>
            <cylinder_inertial_matrix  m="${wheel_mass}" r="${wheel_radius}" h="${wheel_length}" />
        </link>

        <gazebo reference="${prefix}_wheel_link">
            <material>Gazebo/Gray</material>
        </gazebo>

        <!-- Transmission is important to link the joints and the controller -->
        <transmission name="${prefix}_wheel_joint_trans">
            <type>transmission_interface/SimpleTransmission</type>
            <joint name="${prefix}_wheel_joint" >
                <hardwareInterface>hardware_interface/VelocityJointInterface</hardwareInterface>
            </joint>
            <actuator name="${prefix}_wheel_joint_motor">
                <hardwareInterface>hardware_interface/VelocityJointInterface</hardwareInterface>
                <mechanicalReduction>1</mechanicalReduction>
            </actuator>
        </transmission>
    </xacro:macro>

    <!-- Macro for robot caster -->
    <xacro:macro name="caster" params="prefix reflect">
        <joint name="${prefix}_caster_joint" type="continuous">
            <origin xyz="${reflect*caster_joint_x} 0 ${-(base_length/2 + caster_radius)}" rpy="0 0 0"/>
            <parent link="base_link"/>
            <child link="${prefix}_caster_link"/>
            <axis xyz="0 1 0"/>
        </joint>

        <link name="${prefix}_caster_link">
            <visual>
                <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
                <geometry>
                    <sphere radius="${caster_radius}" />
                </geometry>
                <material name="black" />
            </visual>
            <collision>
                <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
                <geometry>
                    <sphere radius="${caster_radius}" />
                </geometry>
            </collision>      
            <sphere_inertial_matrix  m="${caster_mass}" r="${caster_radius}" />
        </link>

        <gazebo reference="${prefix}_caster_link">
            <material>Gazebo/Black</material>
        </gazebo>
    </xacro:macro>

    <xacro:macro name="mbot_base_gazebo">
        <link name="base_footprint">
            <visual>
                <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
                <geometry>
                    <box size="0.001 0.001 0.001" />
                </geometry>
            </visual>
        </link>
        <gazebo reference="base_footprint">
            <turnGravityOff>false</turnGravityOff>
        </gazebo>

        <joint name="base_footprint_joint" type="fixed">
            <origin xyz="0 0 ${base_length/2 + caster_radius*2}" rpy="0 0 0" />        
            <parent link="base_footprint"/>
            <child link="base_link" />
        </joint>

        <link name="base_link">
            <visual>
                <origin xyz=" 0 0 0" rpy="0 0 0" />
                <geometry>
                    <cylinder length="${base_length}" radius="${base_radius}"/>
                </geometry>
                <material name="yellow" />
            </visual>
            <collision>
                <origin xyz=" 0 0 0" rpy="0 0 0" />
                <geometry>
                    <cylinder length="${base_length}" radius="${base_radius}"/>
                </geometry>
            </collision>   
            <cylinder_inertial_matrix  m="${base_mass}" r="${base_radius}" h="${base_length}" />
        </link>

        <gazebo reference="base_link">
            <material>Gazebo/Blue</material>
        </gazebo>

        <wheel prefix="left"  reflect="-1"/>
        <wheel prefix="right" reflect="1"/>

        <caster prefix="front" reflect="-1"/>
        <caster prefix="back"  reflect="1"/>

        <!-- controller -->
        <gazebo>
            <plugin name="differential_drive_controller" 
                    filename="libgazebo_ros_diff_drive.so">
                <rosDebugLevel>Debug</rosDebugLevel>
                <publishWheelTF>true</publishWheelTF>
                <robotNamespace>/</robotNamespace>
                <publishTf>1</publishTf>
                <publishWheelJointState>true</publishWheelJointState>
                <alwaysOn>true</alwaysOn>
                <updateRate>100.0</updateRate>
                <legacyMode>true</legacyMode>
                <leftJoint>left_wheel_joint</leftJoint>
                <rightJoint>right_wheel_joint</rightJoint>
                <wheelSeparation>${wheel_joint_y*2}</wheelSeparation>
                <wheelDiameter>${2*wheel_radius}</wheelDiameter>
                <broadcastTF>1</broadcastTF>
                <wheelTorque>30</wheelTorque>
                <wheelAcceleration>1.8</wheelAcceleration>
                <commandTopic>cmd_vel</commandTopic>
                <odometryFrame>odom</odometryFrame> 
                <odometryTopic>odom</odometryTopic> 
                <robotBaseFrame>base_footprint</robotBaseFrame>
            </plugin>
        </gazebo> 
    </xacro:macro>

</robot>
4.2.2 创建仿真环境
# view_mbot_gazebo_empty_world.launch文件内容

<launch>

    <!-- 设置launch文件的参数 -->
    <arg name="paused" default="false"/>
    <arg name="use_sim_time" default="true"/>
    <arg name="gui" default="true"/>
    <arg name="headless" default="false"/>
    <arg name="debug" default="false"/>

    <!-- 运行gazebo仿真环境 -->
    <include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch">
        <arg name="debug" value="$(arg debug)" />
        <arg name="gui" value="$(arg gui)" />
        <arg name="paused" value="$(arg paused)"/>
        <arg name="use_sim_time" value="$(arg use_sim_time)"/>
        <arg name="headless" value="$(arg headless)"/>
    </include>

    <!-- 加载机器人模型描述参数 -->
    <param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro --inorder '$(find mbot_description)/urdf/xacro/gazebo/mbot_gazebo.xacro'" /> 

    <!-- 运行joint_state_publisher节点，发布机器人的关节状态  -->
    <node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" ></node> 

    <!-- 运行robot_state_publisher节点，发布tf  -->
    <node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher"  output="screen" >
        <param name="publish_frequency" type="double" value="50.0" />
    </node>

    <!-- 在gazebo中加载机器人模型-->
    <node name="urdf_spawner" pkg="gazebo_ros" type="spawn_model" respawn="false" output="screen"
          args="-urdf -model mrobot -param robot_description"/> 

</launch>


# 1.启动空环境下的.launch文件
roslaunch mbot_gazebo view_mbot_gazebo_empty_world.launch 

# 2.启动键盘控制节点
roslaunch mbot_teleop mbot_teleop.launch

# 3.添加环境模型
# 3.1 直接添加，把模型保存到~/.gazebo/models/下
cd ~/.gazebo/models/
git clone https://github.com/osrf/gazebo_models.git

# 添加好模型后，保存为.world文件

# 3.2 使用Buiding Editor，在gazebo的edit下
# 4.把仿真模型路径写入.launch文件，即可加载

效果如下图：

6

7

8

4.3 传感器仿真
4.3.1 摄像头仿真

  • < s e n s o r {\rm sensor} sensor>标签：描述传感器；

    • t y p e {\rm type} type：传感器类型， c a m e r a {\rm camera} camera；
    • n a m e {\rm name} name：摄像头命名，自由设置；

  • < c a m e r a {\rm camera} camera>标签：描述摄像头参数；

    • 分辨率、编码格式、图像范围、噪音参数等；

  • < p l u g i n {\rm plugin} plugin>标签：加载摄像头仿真插件 l i b g a z e b o _ r o s _ c a m e r a . s o {\rm libgazebo\_ros\_camera.so} libgazebo_ros_camera.so；

    • 设置插件的命名空间、发布图像的话题、参考坐标系等；

  • 摄像头仿真的 . x a c r o {\rm .xacro} .xacro文件实例

    # camera_gazebo.xacro文件内容

<?xml version="1.0"?>
<robot xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro" name="camera">

    <xacro:macro name="usb_camera" params="prefix:=camera">
        <!-- Create laser reference frame -->
        <link name="${prefix}_link">
            <inertial>
                <mass value="0.1" />
                <origin xyz="0 0 0" />
                <inertia ixx="0.01" ixy="0.0" ixz="0.0"
                         iyy="0.01" iyz="0.0"
                         izz="0.01" />
            </inertial>

            <visual>
                <origin xyz=" 0 0 0 " rpy="0 0 0" />
                <geometry>
                    <box size="0.01 0.04 0.04" />
                </geometry>
                <material name="black"/>
            </visual>

            <collision>
                <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0 0 0" />
                <geometry>
                    <box size="0.01 0.04 0.04" />
                </geometry>
            </collision>
        </link>
        <gazebo reference="${prefix}_link">
            <material>Gazebo/Black</material>
        </gazebo>

        <gazebo reference="${prefix}_link">
            <sensor type="camera" name="camera_node">
                <update_rate>30.0</update_rate>
                <camera name="head">
                    <horizontal_fov>1.3962634</horizontal_fov>
                    <image>
                        <width>1280</width>
                        <height>720</height>
                        <format>R8G8B8</format>
                    </image>
                    <clip>
                        <near>0.02</near>
                        <far>300</far>
                    </clip>
                    <noise>
                        <type>gaussian</type>
                        <mean>0.0</mean>
                        <stddev>0.007</stddev>
                    </noise>
                </camera>
                <plugin name="gazebo_camera" filename="libgazebo_ros_camera.so">
                    <alwaysOn>true</alwaysOn>
                    <updateRate>0.0</updateRate>
                    <cameraName>/camera</cameraName>
                    <imageTopicName>image_raw</imageTopicName>
                    <cameraInfoTopicName>camera_info</cameraInfoTopicName>
                    <frameName>camera_link</frameName>
                    <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>

    </xacro:macro>
</robot>


# 1.在~/willard_ws/src/mbot_description/urdf/xacro/sensors/下新建camera_gazebo.xacro文件，内容见上一代码块
touch camera_gazebo.xacro

# 2.启动仿真环境
# view_mbot_with_camera_gazebo.launch内容见下一代码块
roslaunch mbot_gazebo view_mbot_with_camera_gazebo.launch

# 3.查看图像
rqt_image_view

# 4.启动键盘控制机器人移动
roslaunch mbot_teleop mbot_teleop.launch


# view_mbot_with_camera_gazebo.launch文件内容

<launch>

    <!-- 设置launch文件的参数 -->
    <arg name="world_name" value="$(find mbot_gazebo)/worlds/playground.world"/>
    <arg name="paused" default="false"/>
    <arg name="use_sim_time" default="true"/>
    <arg name="gui" default="true"/>
    <arg name="headless" default="false"/>
    <arg name="debug" default="false"/>

    <!-- 运行gazebo仿真环境 -->
    <include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch">
        <arg name="world_name" value="$(arg world_name)" />
        <arg name="debug" value="$(arg debug)" />
        <arg name="gui" value="$(arg gui)" />
        <arg name="paused" value="$(arg paused)"/>
        <arg name="use_sim_time" value="$(arg use_sim_time)"/>
        <arg name="headless" value="$(arg headless)"/>
    </include>

    <!-- 加载机器人模型描述参数 -->
    <param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro --inorder '$(find mbot_description)/urdf/xacro/gazebo/mbot_with_camera_gazebo.xacro'" /> 

    <!-- 运行joint_state_publisher节点，发布机器人的关节状态  -->
    <node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" ></node> 

    <!-- 运行robot_state_publisher节点，发布tf  -->
    <node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher"  output="screen" >
        <param name="publish_frequency" type="double" value="50.0" />
    </node>

    <!-- 在gazebo中加载机器人模型-->
    <node name="urdf_spawner" pkg="gazebo_ros" type="spawn_model" respawn="false" output="screen"
          args="-urdf -model mrobot -param robot_description"/> 

</launch>

9

4.3.2 RGB-D摄像头(kinect)仿真
# 1.在~/willard_ws/src/mbot_description/urdf/xacro/sensors/下新建kinect_gazebo.xacro文件，内容见下一代码块
touch kinect_gazebo.xacro

# 2.启动仿真环境
# view_mbot_with_kinect_gazebo.launch内容见下一代码块
roslaunch mbot_gazebo view_mbot_with_kinect_gazebo.launch

# 3.查看图像
rosrun rviz rviz

# 4.启动键盘控制机器人移动
roslaunch mbot_teleop mbot_teleop.launch


# kinect_gazebo.xacro文件内容

<?xml version="1.0"?>
<robot xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro" name="kinect_camera">

    <xacro:macro name="kinect_camera" params="prefix:=camera">
        <!-- Create kinect reference frame -->
        <!-- Add mesh for kinect -->
        <link name="${prefix}_link">
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
            <visual>
                <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 ${M_PI/2}"/>
                <geometry>
                    <mesh filename="package://mbot_description/meshes/kinect.dae" />
                </geometry>
            </visual>
            <collision>
                <geometry>
                    <box size="0.07 0.3 0.09"/>
                </geometry>
            </collision>
        </link>

        <joint name="${prefix}_optical_joint" type="fixed">
            <origin xyz="0 0 0" rpy="-1.5708 0 -1.5708"/>
            <parent link="${prefix}_link"/>
            <child link="${prefix}_frame_optical"/>
        </joint>

        <link name="${prefix}_frame_optical"/>

        <gazebo reference="${prefix}_link">
            <sensor type="depth" name="${prefix}">
                <always_on>true</always_on>
                <update_rate>20.0</update_rate>
                <camera>
                    <horizontal_fov>${60.0*M_PI/180.0}</horizontal_fov>
                    <image>
                        <format>R8G8B8</format>
                        <width>640</width>
                        <height>480</height>
                    </image>
                    <clip>
                        <near>0.05</near>
                        <far>8.0</far>
                    </clip>
                </camera>
                <plugin name="kinect_${prefix}_controller" filename="libgazebo_ros_openni_kinect.so">
                    <cameraName>${prefix}</cameraName>
                    <alwaysOn>true</alwaysOn>
                    <updateRate>10</updateRate>
                    <imageTopicName>rgb/image_raw</imageTopicName>
                    <depthImageTopicName>depth/image_raw</depthImageTopicName>
                    <pointCloudTopicName>depth/points</pointCloudTopicName>
                    <cameraInfoTopicName>rgb/camera_info</cameraInfoTopicName>
                    <depthImageCameraInfoTopicName>depth/camera_info</depthImageCameraInfoTopicName>
                    <frameName>${prefix}_frame_optical</frameName>
                    <baseline>0.1</baseline>
                    <distortion_k1>0.0</distortion_k1>
                    <distortion_k2>0.0</distortion_k2>
                    <distortion_k3>0.0</distortion_k3>
                    <distortion_t1>0.0</distortion_t1>
                    <distortion_t2>0.0</distortion_t2>
                    <pointCloudCutoff>0.4</pointCloudCutoff>
                </plugin>
            </sensor>
        </gazebo>

    </xacro:macro>
</robot>


# view_mbot_with_kinect_gazebo.launch文件内容

<launch>

    <!-- 设置launch文件的参数 -->
    <arg name="world_name" value="$(find mbot_gazebo)/worlds/playground.world"/>
    <arg name="paused" default="false"/>
    <arg name="use_sim_time" default="true"/>
    <arg name="gui" default="true"/>
    <arg name="headless" default="false"/>
    <arg name="debug" default="false"/>

    <!-- 运行gazebo仿真环境 -->
    <include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch">
        <arg name="world_name" value="$(arg world_name)" />
        <arg name="debug" value="$(arg debug)" />
        <arg name="gui" value="$(arg gui)" />
        <arg name="paused" value="$(arg paused)"/>
        <arg name="use_sim_time" value="$(arg use_sim_time)"/>
        <arg name="headless" value="$(arg headless)"/>
    </include>

    <!-- 加载机器人模型描述参数 -->
    <param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro --inorder '$(find mbot_description)/urdf/xacro/gazebo/mbot_with_kinect_gazebo.xacro'" /> 

    <!-- 运行joint_state_publisher节点，发布机器人的关节状态  -->
    <node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" ></node> 

    <!-- 运行robot_state_publisher节点，发布tf  -->
    <node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher"  output="screen" >
        <param name="publish_frequency" type="double" value="50.0" />
    </node>

    <!-- 在gazebo中加载机器人模型-->
    <node name="urdf_spawner" pkg="gazebo_ros" type="spawn_model" respawn="false" output="screen"
          args="-urdf -model mrobot -param robot_description"/> 

</launch>

仿真效果图：

10

4.3.3 激光雷达仿真
# 1.在~/willard_ws/src/mbot_description/urdf/xacro/sensors/下新建lidar_gazebo.xacro文件，内容见下一代码块
touch lidar_gazebo.xacro

# 2.启动仿真环境
# view_mbot_with_laser_gazebo.launch内容见下一代码块
roslaunch mbot_gazebo view_mbot_with_laser_gazebo.launch

# 3.查看图像
rosrun rviz rviz

# 4.启动键盘控制机器人移动
roslaunch mbot_teleop mbot_teleop.launch


# lidar_gazebo.xacro文件内容

<?xml version="1.0"?>
<robot xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro" name="laser">

    <xacro:macro name="rplidar" params="prefix:=laser">
        <!-- Create laser reference frame -->
        <link name="${prefix}_link">
            <inertial>
                <mass value="0.1" />
                <origin xyz="0 0 0" />
                <inertia ixx="0.01" ixy="0.0" ixz="0.0"
                         iyy="0.01" iyz="0.0"
                         izz="0.01" />
            </inertial>

            <visual>
                <origin xyz=" 0 0 0 " rpy="0 0 0" />
                <geometry>
                    <cylinder length="0.05" radius="0.05"/>
                </geometry>
                <material name="black"/>
            </visual>

            <collision>
                <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0 0 0" />
                <geometry>
                    <cylinder length="0.06" radius="0.05"/>
                </geometry>
            </collision>
        </link>
        <gazebo reference="${prefix}_link">
            <material>Gazebo/Black</material>
        </gazebo>

        <gazebo reference="${prefix}_link">
            <sensor type="ray" name="rplidar">
                <pose>0 0 0 0 0 0</pose>
                <visualize>false</visualize>
                <update_rate>5.5</update_rate>
                <ray>
                    <scan>
                      <horizontal>
                        <samples>360</samples>
                        <resolution>1</resolution>
                        <min_angle>-3</min_angle>
                        <max_angle>3</max_angle>
                      </horizontal>
                    </scan>
                    <range>
                      <min>0.10</min>
                      <max>6.0</max>
                      <resolution>0.01</resolution>
                    </range>
                    <noise>
                      <type>gaussian</type>
                      <mean>0.0</mean>
                      <stddev>0.01</stddev>
                    </noise>
                </ray>
                <plugin name="gazebo_rplidar" filename="libgazebo_ros_laser.so">
                    <topicName>/scan</topicName>
                    <frameName>laser_link</frameName>
                </plugin>
            </sensor>
        </gazebo>

    </xacro:macro>
</robot>

仿真效果图：

11

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