3.3 使用urdf编写自己的ROS小车模型
3.3.1 常见的ROS小车结构有哪些？
下面就是常见的ROS小车，相信在大家的脑海里已经有了自己小车的样子，下面我和大家一起使用urdf对ros小车建模。
这里只对urdf进行简单介绍，然后就带大家使用urdf最基础的标签，建立机器人的urdf机器人模型。关于更多细节，请参看官网：http://wiki.ros.org/urdf/Tutorials
3.3.2 什么是urdf？建模的原因？
什么是urdf？
URDF(Unified Robot Description Format)，统一机器人描述格式。 在 ROS 中，大家通常使用 urdf 对机器人模型进行描述，主要的作用就是维护机器人关节的 tf 树以及用于机器人模型3D 可视化的作用，关于其他的作用，这里并没有使用到。
建模的原因？
关于机器人TF树，这里要对它进行详细说明，为的是让大家清楚建立机器人模型的一个主要原因。
ROS中的很多软件包都需要机器人发布tf变换树，那么什么是tf变换树呢？
抽象的来讲，一棵tf变换树定义了不同坐标系之间的平移与旋转变换关系。
具体来说，我们假设有一个机器人，包括一个机器人移动平台和一个安装在平台之上的激光雷达，以这个机器人为例，定义两个坐标系，一个坐标系以机器人移动平台的中心为原点，称为base_link参考系，另一个坐标系以激光雷达的中心为原点，称为base_laser参考系。
假设在机器人运行过程中，激光雷达可以采集到距离前方障碍物的数据，这些数据当然是以激光雷达为原点的测量值，换句话说，也就是base_laser参考系下的测量值。现在，如果我们想使用这些数据帮助机器人完成避障功能，当然，由于激光雷达在机器人之上，直接使用这些数据不会产生太大的问题，但是激光雷达并不在机器人的中心之上，在极度要求较高的系统中，会始终存在一个雷达与机器人中心的偏差值。这个时候，如果我们采用一种坐标变换，将及激光数据从base_laser参考系变换到base_link参考下，问题不就解决了么。于是我们就需要定义这两个坐标系之间的变换关系。
为了定义这个变换关系，假设我们已知激光雷达安装的位置在机器人的中心点上方20cm，前方10cm处。这就根据这些数据，就足以定义这两个参考系之间的变换关系：当我们获取激光数据后，采用(x: 0.1m, y: 0.0m, z: 0.2m)的坐标变换，就可以将数据从base_laser参考系变换到base_link参考系了。当然，如果要方向变化，采用(x: -0.1m, y: 0.0m, z: -0.20m)的变换即可。
从上边的示例看来，参考系之间的坐标变换好像并不复杂，但是在复杂的系统中，存在的参考系可能远远大于两个，如果我们都使用这种手动的方式进行变换，估计很快你就会被繁杂的坐标关系搞蒙了。ROS提供的tf变换就是为解决这个问题而生的，tf功能包提供了存储、计算不同数据在不同参考系之间变换的功能，我们只需要告诉tf树这些参考系之间的变换公式即可，这颗tf树就可以用树的数据结构管理我们所需要的参考系变换。
如上图所示，每两个相邻的坐标系之间都有变换关系，也就是tf变换。我们需要通过机器人的urdf模型文件，向tf树发布机器人相关tf和关节状态，这也是建立机器人urdf模型的主要原因之一。
3.3.3 介绍urdf部分细节
大家都知道，几乎所有机器人都可以用连杆和关节组成；对于不同形状的机器人，连杆大小和关节的分布不同。urdf就是采用这用方式，使用连杆link和关节joint共同组成机器人结构。
robot
link
描述机器人某个刚体部分的外观和物理属性。
包括大小（size）、颜色（color）、形状（shape）、惯性参数（inertial matrix）、碰撞参数（collision properties）等。
如下面所示，描述一个原点origin设置为零，坐标系无任何旋转，几何形状geometry为半径=0.075m，长度=0.104m的圆柱，物理属性material颜色为黄色，可设置三基色rgb和透明度a。
<link name="base_link"> <!-- 连杆的名字，自定义,也可以理解为一个三维坐标系 -->
<visual> <!-- 可视化标签 -->
<origin xyz=" 0 0 0" rpy="0 0 0" /> <!-- 原点设置标签：原点为集合中心上，欧拉角为零，无任何方向旋转 -->
<geometry> <!-- 几何形状标签 -->
<cylinder radius="0.075" length = "0.104"/> <!-- 此形状圆柱，若为方形 <box size="0.03 0.157 0.03" /> 参数长宽高、若为球体 <sphere radius="0.0125" /> 参数半径 -->
</geometry>
<material name="yellow"> <!-- 物理属性标签，此name的颜色并不起作用，用作示意 -->
<color rgba="1 0.4 0 1"/> <!-- 可设置连杆rgb三基色和a透明度 -->
</material>
</visual>
</link>
joint
描述机器人关节的运动学和动力学属性；
包括关节运动的位置和速度限制；根据具体的关节运动形式分为六种类型。
如下面所示，描述了一个链接 父link 和 子link，绕y 轴可持续旋转的节关节joint。
<joint name="left_wheel_joint" type="continuous"> <!-- name关节名字、type关节类型-->
<origin xyz="0.0 0.0785 -0.085" rpy="0 0 0"/> <!-- 关节无尺寸大小 ，origin原点必须参照parent link设置。这里表示该关节以父link原点为准，设置在向y轴正方向0.0785m，向z轴负方向0.085m的地方 -->
<parent link="base_link"/> <!-- 父link名字 -->
<child link="left_wheel_link"/> <!-- 子link名字 -->
<axis xyz="0 1 0"/> <!-- 此节点绕y轴旋转 -->
</joint>
关于 origin xyz=" 0 0 0" rpy=“0 0 0” 的参数还是有点说法的，一般连杆的原点坐标xyz都设置为零，但是rpy(欧拉角：弧度制)有时候会变化。一般关节的原点都有坐标，rpy都设置为零。
欧拉角RPY分别代表Roll（滚转角），Pitch（俯仰角），Yaw（偏航角），分别对应绕XYZ轴旋转。旋转的正方向是，从XYZ轴的箭头方向看过去，顺时针为正，逆时针为负。
比如这里 origin xyz=“0 0 0” rpy=“1.5707 0 0” ，就表示连杆模型绕X轴顺时针旋转1.5707rad=90度。
3.3.4 使用urdf建立自己的ROS小车模型
- 在自己的工作空间下建立机器人模型描述功能包
cd ~/catkin_test_ws/src/
catkin_create_pkg robot_description urdf xacro
- 创建urdf、launch、config、meshes文件夹
cd robot_description/
mkdir urdf launch config meshes
urdf存放机器人模型文件
launch存放相关启动文件
config 保存rviz的配置文件，可用可不用 ，使用rviz保存配置的时候用来存放的位置。
meshes存放urdf引用的模型渲染文件，可用可不用，如果有渲染的模型文件就用，没有也没关系。
- 编写ROS小车urdf模型文件
cd urdf/
vim robot_with_laser.urdf
urdf文件内容如下：
<?xml version="1.0" ?>
<robot name="robot">
<link name="base_link">
<visual>
<origin xyz=" 0 0 0" rpy="0 0 0" />
<geometry>
<cylinder length="0.16" radius="0.20"/>
</geometry>
<material name="yellow">
<color rgba="1 0.4 0 1"/>
</material>
</visual>
</link>
<joint name="left_wheel_joint" type="continuous">
<origin xyz="0 0.19 -0.05" rpy="0 0 0"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="left_wheel_link"/>
<axis xyz="0 1 0"/>
</joint>
<link name="left_wheel_link">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="1.5707 0 0" />
<geometry>
<cylinder radius="0.06" length = "0.025"/>
</geometry>
<material name="white">
<color rgba="1 1 1 0.9"/>
</material>
</visual>
</link>
<joint name="right_wheel_joint" type="continuous">
<origin xyz="0 -0.19 -0.05" rpy="0 0 0"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="right_wheel_link"/>
<axis xyz="0 1 0"/>
</joint>
<link name="right_wheel_link">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="1.5707 0 0" />
<geometry>
<cylinder radius="0.06" length = "0.025"/>
</geometry>
<material name="white">
<color rgba="1 1 1 0.9"/>
</material>
</visual>
</link>
<joint name="front_caster_joint" type="continuous">
<origin xyz="0.18 0 -0.095" rpy="0 0 0"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="front_caster_link"/>
<axis xyz="0 1 0"/>
</joint>
<link name="front_caster_link">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
<geometry>
<sphere radius="0.015" />
</geometry>
<material name="black">
<color rgba="0 0 0 0.95"/>
</material>
</visual>
</link>
<joint name="back_caster_joint" type="continuous">
<origin xyz="-0.18 0 -0.095" rpy="0 0 0"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="back_caster_link"/>
<axis xyz="0 1 0"/>
</joint>
<link name="back_caster_link">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
<geometry>
<sphere radius="0.015" />
</geometry>
<material name="black">
<color rgba="0 0 0 0.95"/>
</material>
</visual>
</link>
<link name="laser_link">
<visual>
<origin xyz=" 0 0 0 " rpy="0 0 0" />
<geometry>
<cylinder length="0.05" radius="0.05"/>
</geometry>
<material name="black"/>
</visual>
</link>
<joint name="laser_joint" type="fixed">
<origin xyz="0 0 0.105" rpy="0 0 0"/>
<parent link="base_link"/>
<child link="laser_link"/>
</joint>
</robot>
- 检查urdf模型整体结构
cd ~/catkin_test_ws/src/robot_description/urdf
urdf_to_graphiz robot_with_laser.urdf
这里生成两个文件，查看pdf如下图。
- 编写显示模型的launch文件
cd ..
cd launch
vim dispaly_robot_with_laser.launch
launch的内容如下：
<launch>
<param name="robot_description" textfile="$(find robot_description)/urdf/robot_with_laser.urdf" />
<!-- 运行joint_state_publisher_gui节点，发布机器人的关节状态 -->
<node name="joint_state_publisher_gui" pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" />
<!-- 运行robot_state_publisher节点，发布tf,将机器人的连杆关节之间的关系，通过TF的形式，整理成三维姿态发布出去 -->
<node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="state_publisher" />
</launch>
- 运行luanch文件
cd ~/catkin_test_ws
catkin_make
source devel/setup.bash
rospack profile
roslaunch robot_description dispaly_robot_with_laser.launch
将出现下面这样的错误，原因是，joint_state_publisher_gui功能包默认没有安装。
解决方法：
sudo apt-get install ros-kinetic-joint-state-publisher
sudo apt-get install ros-kinetic-joint-state-publisher-gui
将出现下面一个这样的gui调试窗口。
- 使用rviz查看自己的机器人模型
rviz
按照图中序号添加机器人模型。
然后将Fixed Frame 选择base_link，就出现你要小车模型了。
通过joint_state_publisher_gui可以控制模型，自行尝试。按照上面的方法，还可以将TF添加的rviz中显示，如下图这个样子。
3.3.5 总结
这里只是给出了，一个最简单的ROS小车urdf文件功能包编写流程，对于新手来说这就是一个参考的流程。过程中需要注意的地方，都在文章中重点说明了。如果需要更加细化的了解urdf，可以参考官网。但是，这里描述的内容，对于ROS小车已经绰绰有余了。
urdf的缺点：
- 模型冗长
- 参数修改麻烦
- 没有参数计算能力等等
下一章，我们使用xacro优化urdf文件。
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