机器人学习之项目- Project1 : Go Chase it!（一）

1.项目简介

任务概述

在这个项目中，在catkin_ws/src中创建两个ROS包:drive_bot和ball_chaser。下面是设计机器人的步骤，把它安置在一个设定的世界里，并编程让它追逐白色的球:

1) drive_bot:

-创建一个my_robot ROS包来保存你的机器人、白球和世界（My World）。

-用统一的机器人描述格式（URDF）设计一个差动驱动机器人。给机器人添加两个传感器:一个激光雷达和一个摄像头。为机器人的差动驱动器、激光雷达和相机添加Gazebo插件。

-把机器人安置在项目中建造的世界（My World）里。

-添加一个白色的球到Gazebo 世界，并保存这个世界的一个新的副本。

-world.launch文件用于启动世界（My World）与白色的球和机器人。

2）ball_chaser:

-创建一个ball_chaser ROS包来保存c++节点。

-编写一个drive_bot c++节点，它将提供一个ball_chaser/command_robot服务，通过控制机器人的线性x和角z速度来驱动机器人。服务应该发布到车轮关节并返回请求的速度。

-写一个process_image c++节点来读取机器人的摄像头图像，分析它来确定一个白球的出现和位置。如果图像中出现一个白球，编写的节点将通过客户端请求一个服务驱动机器人追逐它。

-ball_chaser. launch应该同时运行drive_bot和process_image节点。

项目文件夹

项目的提交参照以下的目录结构，包含列出的所有文件:

Project                                # Go Chase It Project
    ├── my_robot                       # my_robot package                   
    │   ├── launch                     # launch folder for launch files   
    │   │   ├── robot_description.launch
    │   │   ├── world.launch
    │   ├── meshes                     # meshes folder for sensors
    │   │   ├── hokuyo.dae
    │   ├── urdf                       # urdf folder for xarco files
    │   │   ├── my_robot.gazebo
    │   │   ├── my_robot.xacro
    │   ├── world                      # world folder for world files
    │   │   ├── <myworld>.world
    │   ├── CMakeLists.txt             # compiler instructions
    │   ├── package.xml                # package info
    ├── ball_chaser                    # ball_chaser package                   
    │   ├── launch                     # launch folder for launch files   
    │   │   ├── ball_chaser.launch
    │   ├── src                        # source folder for C++ scripts
    │   │   ├── drive_bot.cpp
    │   │   ├── process_images.cpp
    │   ├── srv                        # service folder for ROS services
    │   │   ├── DriveToTarget.srv
    │   ├── CMakeLists.txt             # compiler instructions
    │   ├── package.xml                # package info                  
    └──               

2.设置my_robot

这个项目中的第一个任务是创建my_robot ROS包。在my_robot中，将存储并启动一个空的Gazebo世界文件。随着项目的进行，将建模并存储一个机器人，把空的世界文件替换为在项目中创建的世界。现在，按照以下步骤设置my_robot。

创建my_robot包

1)创建并初始化一个catkin_ws

$ mkdir -p /home/workspace/catkin_ws/src
$ cd /home/workspace/catkin_ws/src
$ catkin_init_workspace

2)导航到catkin_ws的src目录，创建my_robot包:

$ cd /home/workspace/catkin_ws/src/
$ catkin_create_pkg my_robot

3)接下来，创建一个worlds目录和一个launch目录，这将进一步定义包的结构:

$ cd /home/workspace/catkin_ws/src/my_robot/
$ mkdir launch
$ mkdir worlds

创建并存储一个空的 Gazebo World文件

在worlds目录中，创建并存储一个空的Gazebo world文件。提醒一下，在Gazebo中，世界是模型的集合，比如机器人，以及特定的环境。还可以定义一些特定于这个世界的其他物理属性。

1)创建一个空白的Gazebo world

Gazebo里的空白世界是一个简单的世界，没有物体，没有模型。

$ cd /home/workspace/catkin_ws/src/my_robot/worlds/
$ touch empty.world

2)将以下内容添加到empty.world

<?xml version="1.0" ?>

<sdf version="1.4">
  
  <world name="default">

    <include>
      <uri>model://ground_plane</uri>
    </include>

    <!-- Light source -->
    <include>
      <uri>model://sun</uri>
    </include>

    <!-- World camera -->
    <gui fullscreen='0'>
      <camera name='world_camera'>
        <pose>4.927360 -4.376610 3.740080 0.000000 0.275643 2.356190</pose>
        <view_controller>orbit</view_controller>
      </camera>
    </gui>
  </world>
</sdf>

.world文件使用XML文件格式描述与Gazebo环境有关的所有元素。在这里创建的简单世界有以下元素:

-<sdf>:封装整个文件结构和内容的基本元素。

-<world>: world元素定义了世界描述和一些与该世界相关的属性。在本例中的世界添加一个地平面、一个光源和一个摄像机。每个模型或属性都可以有进一步的元素来添加细节。例如，camera有一个pose元素，它定义了它的位置和方向。

-<include>: 包含元素，与<uri>元素，提供到特定模型的路径。在Gazebo中，默认情况下有几个可用的模型。

创建启动文件（ Launch File ）

ROS中的启动文件允许我们同时执行多个节点，这有助于避免在单独的shell或终端中定义和启动多个节点的潜在繁琐任务。

1）创建world.launch文件

$ cd /home/workspace/catkin_ws/src/my_robot/launch/
$ touch world.launch

2）将以下内容添加到world.launch

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>

<launch>

  <!-- World File -->
  <argname="world_file"default="$(find my_robot)/worlds/empty.world"/>
  
  <!-- Launch Gazebo World -->
  <includefile="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch">
    <argname="use_sim_time"value="true"/>
    <argname="debug"value="false"/>
    <argname="gui"value="true" />
    <argname="world_name"value="$(arg world_file)"/>
  </include>
</launch

与.world文件一样，.launch文件也是基于XML的。启动文件的结构有两部分:

-首先，使用<arg>元素定义参数。每个这样的元素都有一个name属性和一个默认值。

-其次，从gazebo_ros包，包含world. launch文件。empty_world（https://github.com/ros-simulation/gazebo_ros_pkgs/blob/kinetic-devel/gazebo_ros/launch/empty_world.launch）文件包含一组重要的定义，这些定义由我们所创建的世界继承。使用world_name参数和作为参数值（value）传递的.world文件路径，将能够在Gazebo中启动world。

启动empty.world

$ cd /home/workspace/catkin_ws/
$ catkin_make
$ source devel/setup.bash
$ roslaunch my_robot world.launch

3.理解统一机器人描述格式(URDF)

由于使用ROS，必须使用统一机器人描述格式(Unified robot Description Format, URDF)对机器人建模，使用XML（https://www.w3schools.com/xml/xml_whatis.asp）标记语言。我们可以使用URDF文件定义一个机器人模型，它的运动学属性，视觉元素，甚至机器人的模型传感器。URDF只能描述由链状或树形结构的关节连接的刚性链接的机器人。它不能描述具有柔性或平行连杆的机器人。

一个有两个连杆和一个关节的简单机器人可以用URDF描述如下:

<?xml version="1.0"?>
<robot name="two_link_robot">
  <!--Links-->
  <linkname="link_1">
    <visual>
      <geometry>
        <cylinderlength="0.5"radius="0.2"/>
      </geometry>
    </visual>
  </link>
  <linkname="link_2">
    <visual>
      <geometry>
        <boxsize="0.6 0.1 0.2"/>
      </geometry>
    </visual>
  </link>
  <!--Joints-->
  <jointname="joint_1"type="continuous">
    <parentlink="link_1"/>
    <childlink="link_2"/>
  </joint>
</robot>

由于我们使用URDF文件来描述几个机器人和环境属性，因此这些文件往往又长又乏味。这就是为什么我们使用Xacro (XML宏)将单个URDF文件划分为多个Xacro文件的原因。虽然语法保持不变，但我们现在可以将机器人描述划分为更小的子系统。

由于URDF(和Xacro)文件基本上是XML，所以它们使用标记来定义机器人的几何形状和属性。最重要和最常用的标签及其元素如下所示:

<robot> </robot>

这是一个顶级（top）标签，包含与给定机器人相关的所有其他标签。

<link> </link>

机器人中的每个刚性连杆（link）都必须与此标签相关联。

属性

名称：需要唯一的连杆（link）名称属性。

元素

<visual> </visual>

此元素指定用于可视化目的的对象的外观。

名称	描述
<origin>	可视元素相对于连杆（link）的参考框架的参考框架。
<geometry>	视觉对象的形状。
<material>	可视元素的材料。

<collision> </collision>

连杆（link）的碰撞属性。请注意，这可能与连杆（link）的视觉属性不同，例如，通常使用更简单的碰撞模型来减少计算时间。

名称	描述
<origin>	碰撞元素的参考框架，相对于连杆（link）的参考框架。
<geometry>	请参阅上面可视化元素中的几何描述。

<inertial> </inertial>

这个标签描述了连杆的惯性特性。

名称	描述
<origin>	这是惯性参照系的姿态，相对于连杆参照系。惯性参照系的原点需要在重心上。
<mass>	连杆的质量由该元素的value属性表示。
<inertia>	3x3转动惯量矩阵，表示在惯量坐标系中。因为转动惯量矩阵是对称的，这里只指定了这个矩阵的6个对角线以上的元素，使用属性ixx, ixy, ixz, iyy, iyz, izz。

包含重要元素的<link>标签示例片段:

<linkname="link_1">
  <inertial>
    <origin xyz="0 0 0.4" rpy="0 0 0"/>
    <massvalue="${mass1}"/>
    <inertia ixx="30" ixy="0" ixz="0" iyy="50" iyz="0" izz="50"/>
  </inertial>
  <visual>
    <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
    <geometry>
      <mesh filename="package://kuka_arm/meshes/kr210l150/visual/link_1.dae"/>
    </geometry>
    <material name="">
      <color rgba="0.75294 0.75294 0.75294 1"/>
    </material>
   </visual>
   <collision>
     <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
     <geometry>
       <mesh filename="package://kuka_arm/meshes/kr210l150/collision/link_1.stl"/>
     </geometry>
    </collision>
</link>

<link>标签有更多可选元素，可用于定义其他属性，如颜色、材质、纹理等。有关这些标签的详细信息，请参阅此链接（urdf/XML/link - ROS Wiki）。

<joint> </joint>

该标签通常定义机器人中两个连杆之间的单个关节。可以使用此标签定义的关节类型包括:

Name	Description
Fixed	没有自由度的刚性接头。用于焊接连接。
Revolute	绕轴旋转的有一定范围的关节。
Prismatic	滑动关节:沿轴滑动的范围有限的关节
Continuous	类似于转动关节，但没有限制。它可以围绕一个轴连续旋转。
Planar	二维移动关节，允许在垂直于轴的平面上运动
Floating	具有6个自由度的关节，一般用于四旋翼飞行器和无人机

属性

名称 唯一的关节名

类型 关节类型

元素

为了定义关节，我们需要声明旋转/平移轴以及组成关节的两个连杆之间的关系。

名称	描述
<origin>	这是从父连杆到子连杆的转换。关节位于子连杆的原始点。
<parent>	各自连接的父连杆的名称。
<child>	各自连接的子连杆的名称。
<axis>	为转动关节定义旋转轴，为移动关节定义平移轴，为平面关节定义曲面法线。固定和浮动关节不使用轴场。

包含重要元素的<joint>标签示例片段:

<joint name="joint_2"type="revolute">
  <origin xyz="0.35 0 0.42" rpy="0 0 0"/>
  <parent link="link_1"/>
  <childlink="link_2"/>
  <axisxyz="0 1 0"/>
</joint>

<joint>标签下的其他可选元素可以在这里找到（urdf/XML/joint - ROS Wiki）。

还有更多可选的标签和属性，有助于定义机器人的各种动态和运动学属性，以及传感器和执行器。要获得完整的列表，请参阅URDF上的ROS文档（urdf - ROS Wiki）。