作者 | 在梦里-119
编辑 | 3D视觉开发者社区
导读
本文利用ROS进行仿真机器人实验，从安装步骤开始讲解，一直到配置、测试、建图、定位与路径规划，每一步的操作过程都极尽详细，包括可能出现的问题以及对应的解决方案，可以称为保姆级别的教程了。由于文章篇幅过长，因此分为上下两篇，推荐开发者阅读。
01 ROS安装与配置
1.1 安装虚拟机软件
此前使用的虚拟机是 VMware Workstation 15 Pro，但是使用起来不是特别方便，比如基本操作主机复制的内容无法黏贴到客户机（ubuntu）中。于是本次实验使用了VirtualBox 6.1.18虚拟机。
1.2 虚拟一台主机
使用VirtualBox虚拟计算机的过程也不算复杂，只需要按照提示配置其相关参数即可，其各项参数设置如图1.2.1所示。
图1.2.1：VirtualBox虚拟主机
1.3 安装ubuntu
首先从官网下载 Ubuntu 的镜像文件，这里选择的版本是20.04.2.0，于是其对应安装的ros版本为Noetic Ninjemys(May 2020-May2025)：然后，配置虚拟主机，关联下载好的Ubuntu 镜像文件。
接下来对ubuntu进行优化，按照网上操作（安装虚拟机工具、启动文件交换模式）方便虚拟机与宿主机的文件交换。
1.4 在ubuntu中安装ROS机器人操作系统
1.4.1 配置ubuntu的软件和更新
配置ubuntu的软件和更新，允许安装不经认证的软件。首先打开“软件和更新”对话框，具体可以在 Ubuntu 搜索按钮中搜索。
打开后按照图1.4.1进行配置（确保勾选了"restricted"， “universe，” 和 “multiverse.”）
图1.4.1
1.4.2 设置安装源
使用国内清华大学安装源，这样安装速度更快，Ctrl+Ail+T打开终端输入命令：
sudo sh -c '. /etc/lsb-release && echo "deb http://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/ros/ubuntu/ `lsb_release -cs` main" > /etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list'
回车输入管理员密码，显示如图1.4.2下界面即成功发。
图1.4.2
1.4.3 设置key
如图1.4.3所示，输入：
sudo apt-key adv --keyserver 'hkp://keyserver.ubuntu.com:80' --recv-key C1CF6E31E6BADE8868B172B4F42ED6FBAB17C654
图1.4.3
1.4.4 安装
首先需要更新apt，apt 是用于从互联网仓库搜索、安装、升级、卸载软件或操作系统的工具。
在终端输入：sudo apt update，界面显示如图1.4.4所示：
图1.4.4
然后，再安装所需类型的 ROS:ROS 多个类型:Desktop-Full、Desktop、ROS-Base。这里介绍较为常用的Desktop-Full(官方推荐)安装: ROS, rqt, rviz, robot-generic libraries, 2D/3D simulators, navigation and 2D/3D perception
在终端输入：sudo apt install ros-noetic-desktop-full
出现如图1.4.5界面，输入Y回车。
图1.4.5
如图1.4.6所示的安装过程，经过漫长等待，直至安装成功。
图1.4.6
吃了个饭回来，发现如图1.4.7错误提示：
初步检测，应该是网络问题，于是直接重复调用更新与安装命令，最后成功。
1.4.5 安装构建依赖
在 noetic 最初发布时，和其他历史版本稍有差异的是:没有安装构建依赖这一步骤。随着 noetic 不断完善，官方补齐了这一操作。
首先安装构建依赖的相关工具，如图1.4.8所示，调用命令：
sudo apt install python3-rosdep python3-rosinstall python3-rosinstall-generator python3-wstool build-essential
回车输入密码，直至安装成功。
图1.4.8
ROS中使用许多工具前，要求需要初始化rosdep(可以安装系统依赖) – 上一步实现已经安装过了，如图1.4.9。
sudo apt install python3-rosdep
图1.4.9
初始化rosdep，输入命令：sudo rosdep init，显示如图1.4.10所示。
图1.4.10
rosdep update
出现图1.4.11所示的问题：网络超时
图1.4.11
在网上查找了以下几种方法解决上述问题，发现都不行：
(1)更改镜像源
(2)更改域名服务器
执行：sudo gedit /etc/resolv.conf
将原有的nameserver这一行注释，并添加以下两行：
nameserver 8.8.8.8 #google域名服务器
nameserver 8.8.4.4 #google域名服务器
保存退出，执行
sudo apt-get update
再执行
rosdep update
(3)添加网站上解析出来的IP，进行操作
最后参考一篇博主的方法：将相关资源备份到gitee,修改 rosdep 源码,重新定位资源。
步骤一：切换路径cd /usr/lib/python3/dist-packages/
步骤二：
查找rosdep中和raw.githubusercontent.com相关的内容，
调用命令:
find . -type f | xargs grep “raw.githubusercontent”，显示如图1.4.12.
图1.4.12
步骤三：找到如下四个文件：
./rosdistro/init.py、
./rosdep2/gbpdistro_support.py、
./rosdep2/sources_list.py 、
./rosdep2/rep3.py。、
可以使用sudo gedit命令修改文件中涉及的 URL 内容，如果是
:raw.githubusercontent.com/ros/rosdistro/master
都替换成：gitee.com/zhao-xuzuo/rosdistro/raw/master即可，这样就改变了资源路径。
步骤四：重新运行：
sudo rosdep init rosdep update，如图1.4.13所示。
就可以正常实现 rosdep 的初始化与更新了。
图1.4.13
1.5 配置环境变量
配置环境变量，方便在任意 终端中使用 ROS。
调用命令：echo “source /opt/ros/noetic/setup.bash” >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc，如图1.5所示。
图1.5
1.6 测试ROS
首先调用命令：roscore，显示如图1.6.1所示：
图1.6.1
其次添加新窗口并调用命令：rosrun turtlesim turtlesim_node(此时会弹出图形化界面，如图1.6.2所示)
图1.6.2
之后添加新窗口并调用命令：rosrun turtlesim turtle_teleop_key(在3中可以通过上下左右控制2中乌龟的运动)
最终结果如下所示，则测试成功
图1.6.3
02 机器人仿真模型与环境配置
引言-ROS机器人仿真实验几点说明
本实验使用编程软件：VScode，及界面显示如图2所示：
图2
2.1 构建差速移动机器人仿真模型
2.1.1 差速移动机器人（四轮圆柱状机器人）模型描述：
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)，并添加雷达传感器
2.1.2 实现流程
（1）创作ROS工作空间并初始化
使用命令：
mkdir -p demo_18/src
cd demo_18
catkin_make
(2) 启动VScode
在demo_18目录下使用命令：code .
便可以开启VScode，接下来所有操作都在可视化的VScode上进行。
(3)创建 ROS 功能包
选定 src 右击 —> create catkin package
创建urdf01_rviz功能包，导入依赖包:urdf与xacro
(4)在当前功能包下，添加如下目录
urdf: 存储 urdf 文件的目录
config: 配置文件
launch: 存储 launch 启动文件
(5)编写URDF文件
这里可以使用URDF文件编写也可以使用XACRO文件编写小车模型文件，本人在此两种实现方法都用了，分别在urdf文件夹下，新建urdf用于编写urdf小车模型；新建xacro文件夹编写xacro小车模型，但是这里只讲解xacro文件编写的小车模型，这是因为urdf编写小车模型存在如下问题:
问题1:在设计关节的位置时，需要按照一定的公式计算，公式是固定的，但是在 URDF 中依赖于人工计算，存在不便，容易计算失误，且当某些参数发生改变时，还需要重新计算。
问题2:URDF 中的部分内容是高度重复的，驱动轮与支撑轮的设计实现，不同轮子只是部分参数不同，形状、颜色、翻转量都是一致的，在实际应用中，构建复杂的机器人模型时，更是易于出现高度重复的设计，按照一般的编程涉及到重复代码应该考虑封装。
(6)编写xacro文件用于构建小车模型
编写car_base.xacro用于构建小车底盘；
编写laser.xacro文件用于构建雷达；
编写car.xacro文件用于组合地盘与雷达。
(7)编写launch文件
编写car.launch文件，这里在launch文件中使用命令：<paramname="robot_description"command="$(findxacro)/xacro$(findurdf01_rviz)/urdf/xacro/car.xacro" />
直接加载(6)中编写的小车模型xacro文件；
使用命令：<node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" />启动rviz；
使用命令：<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" />
启动机器人状态和关节状态发布节点；
使用命令：<nodepkg="joint_state_publisher_gui"type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" output="screen" />
启动图形化的控制关节运动节点；
(8) 检查urdf01_rviz功能包文件
按上述步骤完成后，urdf01_rviz功能包含文件夹及文件如图2.1.1所示。
图2.1.1
(9) 运行编写好的car.launch文件
点击udf01_rviz功能包，右击–>点击在集成终端中打开，如图2.1.2所示。
图2.1.2
在打开的第一个终端输入：roscore命令，运行ros。接着点击加号，新建终端，输入命令：
source ./devel/setup.bash
roslaunch urdf01_rviz car.launch
接下来便会打开rviz窗口。
(10)在RVIZ中显示机器人模型
viz 启动后，会发现并没有盒装的机器人模型，这是因为默认情况下没有添加机器人显示组件，需要手动添加，在添加组件前，先设置Fixed Frame为base_footprint，也就是更改参考坐标系，结果如图2.1.2.
图2.1.2 bnm
添加机器人模型组件，如图2.1.3，点击Add，之后选择需要的组件，比如RobotModel，其余组件添加方式类似，之后类似操作不再赘述。之后便可以看到图2.1.的机器人模型。
图2.1.3
图2.1.4
(11)在RVIZ配置操作并调用
为了避免每一次啊都要进行更改坐标系与组件添加操作，可以在步骤(10)中，点击file–>save config as ,并将其保存到demo_18/src/urdf01_rviz/config下，命名为car.rviz。
之后修改car.launch下rviz启动命令为：
<node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf01_rviz)/config/car.rviz"/>
这样，下次打开rviz显示模型便不需要配置操作。
2.2 仿真环境搭建
2.2.1 仿真环境描述
仿真环境搭建比较简单，直接放置了给定圆柱体与正方体，因为自身电脑的原因，带动ros非常卡顿，所以对于仿真环境搭建比较简单。本人也尝试构建参考实例中的环境发现Gazebo无响应。
2.2.2 机器人模型显示在gazebo的实现流程
(1)在demo_18工作空间下，创建 ROS 功能包
创建urdf02_gazebo功能包，导入依赖包: urdf、xacro、gazebo_ros、gazebo_ros_control、gazebo_plugins
(2)在当前功能包下，添加如下目录
urdf: 存储 urdf 文件的目录
config: 存储rviz配置文件
launch: 存储 launch 启动文件
worlds: 保存地图文件
(3)编写封装惯性矩阵算法的 xacro 文件
在urdf下新建head.xacro文件，存放惯性矩阵算法。惯性矩阵的设置需要结合link的质量与外形参数动态生成，标准的球体、圆柱与立方体的惯性矩阵公式如下(已经封装为 xacro 实现):
球体惯性矩阵
圆柱惯性矩阵
立方体惯性矩阵
这里直接复制并保存。需要注意的是，原则上，除了base_footprint 外，机器人的每个刚体部分都需要设置惯性矩阵，且惯性矩阵必须经计算得出，如果随意定义刚体部分的惯性矩阵，那么可能会导致机器人在 Gazebo 中出现抖动，移动等现象。
(4)编写小车模型的xavro文件
直接从2.1下拷贝car.xacro、car_base.xacro、laser.xacro文件到urdf目录下,并且需要并设置 collision inertial 以及 color 等参数。具提程序参照附件，这里不对程序做详细介绍，附录程序有详细注释。
(5)编写launch文件
在launch文件夹下编写env.launch文件，这里在launch文件中使用命令：
使用命令：
<param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro $(find urdf02_gazebo)/urdf/car.xacro" />
将 Urdf 文件的内容加载到参数服务器；
使用命令：
<include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch" />
启动 gazebo；
使用命令：
<node pkg="gazebo_ros" type="spawn_model" name="model" args="-urdf -model car -param robot_description" />
在 gazebo 中显示机器人模型；
(6)运行程序并在gazebo中查看
在终端下输入：roslaunch urdf02_gazebo env.launch命令，便可以启动gazebo，界面显示如图2.2.1。
图2.2.1
2.2.3 Gazebo仿真环境搭建
到目前为止，我们已经可以将机器人模型显示在 Gazebo 之中了，但是当前默认情况下，在 Gazebo 中机器人模型是在 empty world 中，并没有类似于房间、家具、道路、树木… 之类的仿真物。在Gazebo 中创建仿真实现方式有两种:
方式1: 直接添加内置组件创建仿真环境
方式2: 手动绘制仿真环境(更为灵活)
也还可以直接下载使用官方或第三方提高的仿真环境插件。
本实验采用方式1添加内置组件创建仿真环境，大家可能更倾向于方式2，这里因为本人电脑的原因，采用方式1，其具体步骤如下：
步骤一：启动 Gazebo 并添加组件
如图2.2.2红色框所示：
图2.2.2
步骤二：保存仿真环境
添加完毕后，选择 file —> Save World as 选择保存路径(功能包下: worlds 目录)，文件名自定义，后缀名设置为 .world
步骤三：启动仿真环境
这里只需要将上述的env.launch文件中的gazebo启动命令更改为：
<include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch" >
<arg name="world_name" value="$(find urdf02_gazebo)/worlds/box_house.world" />
</include>
这里我保存仿真环境文件为：box_house.world。
按照上述(6)步骤重新打开gazebo，便可得到如下图2.2.3所示的仿真环境。
图2.2.3
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