机器人xacro设计+gazebo/rviz启动
- 项目需求
- 方案
- 机器人的本体设计
- 机器人本体集成car_gazebo.xacro
- inertial惯性矩阵 head.xacro
- 小车底盘base.xacro
- 摄像头camera.xacro
- 雷达laser.xacro
- 机器joint关节控制器+传感器sensor设计
- 机器人joint关节控制器move.xacro
- 摄像头传感器camera_sensor.xacro
- 雷达传感器laser_sensor.xacro
- launch文件启动gazebo和rviz
- car_gazebo.launch
- car_rviz.launch
项目需求
创建一个机器人，包含本体、控制器、传感器。在gazebo物理引擎中加载真实世界模型，在rviz通过各种插件查看状态。
方案
首先，看一下整体的项目截图
urdf02_gazebo功能包下面有/config文件夹放置rviz的配置文件，/launch文件夹放置启动文件，/world文件夹放置gazebo的物理世界模型，/xacro文件夹放机器人模型文件，分别在/xacro当前目录下放机器人本体的xacro文件，以及在/xacro/gazebo文件夹下放控制和传感器文件，最终所有的xacro文件都集成进/xacro/car_gazebo.xacro中，即car_gazebo.xacro集成了机器人本体、控制器、传感器，值得注意的是，xacro集成了这么多个不同的 xacro文件，其本质上是将所有的xacro文件复制到一块的，所以不同的xacro文件可写同一个name，反正最终都会复制集成到同一个xacro文件下，car_gazebo.xacro如下所示。
机器人的本体设计
机器人本体集成car_gazebo.xacro
<robot name="car" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
<xacro:include filename="head.xacro" />
<xacro:include filename="base.xacro" />
<xacro:include filename="camera.xacro" />
<xacro:include filename="laser.xacro" />
<xacro:include filename="gazebo/move.xacro" />
<xacro:include filename="gazebo/laser_sensor.xacro" />
<xacro:include filename="gazebo/camera_sensor.xacro" />
</robot>
其中第一个head.xacro是计算inertial惯性矩阵的，因为gazebo是需要考虑真实物理引擎的，所以head.xacro里封装了宏（相当于函数，包含函数名和参数），每个宏函数都是标准的物体，如球，圆柱等，传参传入质量，长宽高半径等，宏函数就会自动计算惯性矩阵，宏函数在机器人本体设计直接调用即可。
inertial惯性矩阵 head.xacro
<robot name="base" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
<!-- Macro for inertia matrix
head.xacro -->
<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>
<xacro:macro name="Box_inertial_matrix" params="m l w h">
<inertial>
<mass value="${m}" />
<inertia ixx="${m*(h*h + l*l)/12}" ixy = "0" ixz = "0"
iyy="${m*(w*w + l*l)/12}" iyz= "0"
izz="${m*(w*w + h*h)/12}" />
</inertial>
</xacro:macro>
</robot>
以下是各个机器人本体连杆link的设计，包括小车底盘、摄像头、雷达，其中的inertial惯性矩阵用到了head.xacro的宏函数。
小车底盘base.xacro
<!--
使用 xacro 优化 URDF 版的小车底盘实现：
base.xacro
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 -->
<!-- PI 值设置精度需要高一些，否则后续车轮翻转量计算时，可能会出现肉眼不能察觉的车轮倾斜，从而导致模型抖动 -->
<xacro:property name="PI" value="3.1415926"/>
<!-- 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 -->
<xacro:property name="base_link_m" value="0.5" /> <!-- 质量 -->
<!-- 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="${base_link_length}" />
</geometry>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
<material name="yellow">
<color rgba="0.5 0.3 0.0 0.5" />
</material>
</visual>
<collision>
<geometry>
<cylinder radius="${base_link_radius}" length="${base_link_length}" />
</geometry>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
</collision>
<xacro:cylinder_inertial_matrix m="${base_link_m}" r="${base_link_radius}" h="${base_link_length}" />
</link>
<joint name="base_link2base_footprint" type="fixed">
<parent link="base_footprint" />
<child link="base_link" />
<origin xyz="0 0 ${earth_space + base_link_length / 2 }" />
</joint>
<gazebo reference="base_link">
<material>Gazebo/Yellow</material>
</gazebo>
<!-- 驱动轮 -->
<!-- 驱动轮属性 -->
<xacro:property name="wheel_radius" value="0.0325" /><!-- 半径 -->
<xacro:property name="wheel_length" value="0.015" /><!-- 宽度 -->
<xacro:property name="wheel_m" value="0.05" /> <!-- 质量 -->
<!-- 驱动轮宏实现 -->
<xacro:macro name="add_wheels" params="name flag">
<link name="${name}_wheel">
<visual>
<geometry>
<cylinder radius="${wheel_radius}" length="${wheel_length}" />
</geometry>
<origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="${PI / 2} 0.0 0.0" />
<material name="black" />
</visual>
<collision>
<geometry>
<cylinder radius="${wheel_radius}" length="${wheel_length}" />
</geometry>
<origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="${PI / 2} 0.0 0.0" />
</collision>
<xacro:cylinder_inertial_matrix m="${wheel_m}" r="${wheel_radius}" h="${wheel_length}" />
</link>
<joint name="${name}_wheel2base_link" type="continuous">
<parent link="base_link" />
<child link="${name}_wheel" />
<origin xyz="0 ${flag * base_link_radius} ${-(earth_space + base_link_length / 2 - wheel_radius) }" />
<axis xyz="0 1 0" />
</joint>
<gazebo reference="${name}_wheel">
<material>Gazebo/Red</material>
</gazebo>
</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 -->
<xacro:property name="support_wheel_m" value="0.03" /> <!-- 质量 -->
<!-- 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>
<collision>
<geometry>
<sphere radius="${support_wheel_radius}" />
</geometry>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
</collision>
<xacro:sphere_inertial_matrix m="${support_wheel_m}" r="${support_wheel_radius}" />
</link>
<joint name="${name}_wheel2base_link" type="continuous">
<parent link="base_link" />
<child link="${name}_wheel" />
<origin xyz="${flag * (base_link_radius - support_wheel_radius)} 0 ${-(base_link_length / 2 + earth_space / 2)}" />
<axis xyz="1 1 1" />
</joint>
<gazebo reference="${name}_wheel">
<material>Gazebo/Red</material>
</gazebo>
</xacro:macro>
<xacro:add_support_wheel name="front" flag="1" />
<xacro:add_support_wheel name="back" flag="-1" />
</robot>
摄像头camera.xacro
<!-- 摄像头相关的 xacro 文件 camera.xacro -->
<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="${base_link_length / 2 + camera_height / 2}" /> <!-- 摄像头安装的z坐标:底盘高度 / 2 + 摄像头高度 / 2 -->
<xacro:property name="camera_m" value="0.01" /> <!-- 摄像头质量 -->
<!-- 摄像头关节以及link -->
<link name="camera">
<visual>
<geometry>
<box size="${camera_length} ${camera_width} ${camera_height}" />
</geometry>
<origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" />
<material name="black" />
</visual>
<collision>
<geometry>
<box size="${camera_length} ${camera_width} ${camera_height}" />
</geometry>
<origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" />
</collision>
<xacro:Box_inertial_matrix m="${camera_m}" l="${camera_length}" w="${camera_width}" h="${camera_height}" />
</link>
<joint name="camera2base_link" type="fixed">
<parent link="base_link" />
<child link="camera" />
<origin xyz="${camera_x} ${camera_y} ${camera_z}" />
</joint>
<gazebo reference="camera">
<material>Gazebo/Blue</material>
</gazebo>
</robot>
雷达laser.xacro
<!--
小车底盘添加雷达
laser.xacro
-->
<robot name="my_laser" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
<!-- 雷达支架 -->
<xacro:property name="support_length" value="0.15" /> <!-- 支架长度 -->
<xacro:property name="support_radius" value="0.01" /> <!-- 支架半径 -->
<xacro:property name="support_x" value="0.0" /> <!-- 支架安装的x坐标 -->
<xacro:property name="support_y" value="0.0" /> <!-- 支架安装的y坐标 -->
<xacro:property name="support_z" value="${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 -->
<xacro:property name="support_m" value="0.02" /> <!-- 支架质量 -->
<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>
<collision>
<geometry>
<cylinder radius="${support_radius}" length="${support_length}" />
</geometry>
<origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" />
</collision>
<xacro:cylinder_inertial_matrix m="${support_m}" r="${support_radius}" h="${support_length}" />
</link>
<joint name="support2base_link" type="fixed">
<parent link="base_link" />
<child link="support" />
<origin xyz="${support_x} ${support_y} ${support_z}" />
</joint>
<gazebo reference="support">
<material>Gazebo/White</material>
</gazebo>
<!-- 雷达属性 -->
<xacro:property name="laser_length" value="0.05" /> <!-- 雷达长度 -->
<xacro:property name="laser_radius" value="0.03" /> <!-- 雷达半径 -->
<xacro:property name="laser_x" value="0.0" /> <!-- 雷达安装的x坐标 -->
<xacro:property name="laser_y" value="0.0" /> <!-- 雷达安装的y坐标 -->
<xacro:property name="laser_z" value="${support_length / 2 + laser_length / 2}" /> <!-- 雷达安装的z坐标:支架高度 / 2 + 雷达高度 / 2 -->
<xacro:property name="laser_m" value="0.1" /> <!-- 雷达质量 -->
<!-- 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>
<collision>
<geometry>
<cylinder radius="${laser_radius}" length="${laser_length}" />
</geometry>
<origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" />
</collision>
<xacro:cylinder_inertial_matrix m="${laser_m}" r="${laser_radius}" h="${laser_length}" />
</link>
<joint name="laser2support" type="fixed">
<parent link="support" />
<child link="laser" />
<origin xyz="${laser_x} ${laser_y} ${laser_z}" />
</joint>
<gazebo reference="laser">
<material>Gazebo/Black</material>
</gazebo>
</robot>
以上是机器人本体的连杆link部件设计，那么小车还需要控制器还有上面的传感器真实引用，关于这部分内容我放在了/gazebo文件下。
机器joint关节控制器+传感器sensor设计
控制器也是通过xacro文件实现，小车动起来主要是通过joint关节传动，比如小车左轮与地盘连接的joint关节，控制关节转动即可，由于小车有两个驱动轮，所以joint驱动也封装成宏函数来实现。
机器人joint关节控制器move.xacro
<robot name="my_car_move" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
<!-- 传动实现:用于连接控制器与关节 /gazebo/move.xacro -->
<xacro:macro name="joint_trans" params="joint_name">
<!-- Transmission is important to link the joints and the controller -->
<transmission name="${joint_name}_trans">
<type>transmission_interface/SimpleTransmission</type>
<joint name="${joint_name}">
<hardwareInterface>hardware_interface/VelocityJointInterface</hardwareInterface>
</joint>
<actuator name="${joint_name}_motor">
<hardwareInterface>hardware_interface/VelocityJointInterface</hardwareInterface>
<mechanicalReduction>1</mechanicalReduction>
</actuator>
</transmission>
</xacro:macro>
<!-- 每一个驱动轮都需要配置传动装置 -->
<xacro:joint_trans joint_name="left_wheel2base_link" />
<xacro:joint_trans joint_name="right_wheel2base_link" />
<!-- 控制器 -->
<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_wheel2base_link</leftJoint> <!-- 左轮 -->
<rightJoint>right_wheel2base_link</rightJoint> <!-- 右轮 -->
<wheelSeparation>${base_link_radius * 2}</wheelSeparation> <!-- 车轮间距 -->
<wheelDiameter>${wheel_radius * 2}</wheelDiameter> <!-- 车轮直径 -->
<broadcastTF>1</broadcastTF>
<wheelTorque>30</wheelTorque>
<wheelAcceleration>1.8</wheelAcceleration>
<commandTopic>cmd_vel</commandTopic> <!-- 运动控制话题 -->
<odometryFrame>odom</odometryFrame>
<odometryTopic>odom</odometryTopic> <!-- 里程计话题 -->
<robotBaseFrame>base_footprint</robotBaseFrame> <!-- 根坐标系 -->
</plugin>
</gazebo>
</robot>
接下来是传感器的配置，因为机器人本体已经有了camera连杆和laser连杆，所以现在需要给这两个存在的连杆配上传感器，也就是将传感器映射到连杆中。引用方式是gazebo reference=“连杆名”，连杆名在机器人本体连杆文件中，保持一致。
摄像头传感器camera_sensor.xacro
<robot name="my_sensors" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
<!-- 被引用的link
/gazebo/camera_sensor.xacro -->
<gazebo reference="camera">
<!-- 类型设置为 camara -->
<sensor type="camera" name="camera_node">
<update_rate>30.0</update_rate> <!-- 更新频率 -->
<!-- 摄像头基本信息设置 -->
<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>
<!-- 核心插件 -->
<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</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>
</robot>
雷达传感器laser_sensor.xacro
<robot name="my_sensors" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
<!-- 雷达 /gazebo/laser_sensor.xacro-->
<gazebo reference="laser">
<sensor type="ray" name="rplidar">
<pose>0 0 0 0 0 0</pose>
<visualize>true</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>30.0</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</frameName>
</plugin>
</sensor>
</gazebo>
</robot>
好了，终于完成了机器人的整体设计了，现在机器人有了本体，还有了两轮差速控制器，还有了传感器。
接下来就让机器人通过launch文件启动gazebo和rviz中吧。
launch文件启动gazebo和rviz
分别通过launch来启动gazebo和rviz，有启动先后顺序的，因为car_gazebo.xacro先在car_gazebo.launch中加载到参数服务器中，所以要先启动car_gazebo.launch，并且在car_rviz.launch不需要加载car_gazebo.xacro文件，因为car_gazebo.launch已经将其加载参数服务器了。
car_gazebo.launch
<launch>
<!-- car_gazebo.launch
将 xacro 文件的内容加载到参数服务器 -->
<param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro $(find urdf02_gazebo)/xacro/car_gazebo.xacro" />
<!-- 启动 gazebo -->
<include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch">
<arg name="world_name" value="$(find urdf02_gazebo)/world/box_house.world" />
</include>
<!-- 在 gazebo 中显示机器人模型 -->
<node pkg="gazebo_ros" type="spawn_model" name="model" args="-urdf -model mycar -param robot_description" />
</launch>
car_rviz.launch
<launch>
<!-- car_rviz.launch
启动 rviz，加载rviz配置 -->
<node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf02_gazebo)/config/show.rviz"/>
<!-- 关节以及机器人状态发布节点 -->
<node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" />
<node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" />
</launch>
参考来源
【Autolabor初级教程】ROS机器人入门
URDF集成Gazebo
![[附源码]计算机毕业设计JAVA疫情防控下高校教职工健康信息管理系统](https://img-blog.csdnimg.cn/f38eae6cca734f4ca080cb41410a0b3e.png)
