ros机器人编程实践（16.3）- 仿真SmartCar之将模型导入gazebo中

前言

上一篇博客：ros机器人编程实践（16.2）- 仿真SmartCar之模型“飞起来“
上一章我们将模型导入到rviz中并成功的动起来了，但是rviz软件环境主要是用于数据可视化的，处理数据比较方便，真实环境的模型仿真还是需要在gazebo中进行。

urdf文件讲解

我们之前在16.1中配置的urdf文件只配置了模型的链接方式和形状颜色，只有这些在gazebo物理引擎中是没法进行运动的，需要给模型的各个部分加上gazebo属性。因为还不是很熟悉xarco文件格式，我这里还是在16.1的urdf文件上修改，这一章重点讲解下urdf文件的内容，为了方便大家修改模型。

<xml>标签

• 说明：用于xml文件版本声明
• 参数：version，声明版本
• 例子：<?xml version="1.0"?>
• 成对：否

<robot>标签

• 说明：声明整体机器人，要包裹将所有机器人组件的标签。
• 参数：name，用于声明机器人名字
• 成对：是
• 例子：<robot name="smartcar"> </robot>

<link>标签

• 说明：声明连杆，可以在<link></link>中设置连杆的可视化，惯性，碰撞属性
• 参数：name，用于声明连杆的名字，每个连杆必须有一个名字
• 成对：是
• 例子：<link name="base_link"></link>

<visual>标签

• 说明：声明可视化属性，放置在link标签中
• 参数：无
• 成对：是
• 例子：

    <link name="base_link">
        <visual>
        </visual>
    </link>

<geometry>标签

• 说明：声明形状，放置在visual标签中
• 参数：<box size="0.25 .16 .05"/> <cylinder length=".02" radius="0.025"/> 声明立方体和圆柱体
• 成对：是
• 例子：

    <link name="base_link">
        <visual>
          <geometry>
             <box size="0.25 .16 .05"/>
          </geometry>
        </visual>
    </link>

<origin>标签

• 说明：声明放置位置已经朝向，放置在visual标签中
• 参数：rpy,声明朝向；xyz，声明位置
• 成对：是
• 例子：

    <link name="base_link">
        <visual>
          <geometry>
             <box size="0.25 .16 .05"/>
          </geometry>
           <origin rpy="0 0 1.57075" xyz="0 0 0"/>
        </visual>
    </link>

<material>标签

• 说明：声明材料属性，主要用于颜色，放置在visual标签中
• 参数：name，声明名字
• 成对：是
• 例子：

    <link name="base_link">
        <visual>
          <geometry>
             <box size="0.25 .16 .05"/>
          </geometry>
           <origin rpy="0 0 1.57075" xyz="0 0 0"/>
           <material name="blue">
               <color rgba="0 .5 .8 1"/>
           </material>
        </visual>
    </link>

gazebo属性讲解

上述的标签是模型搭建的基本，可以看到主要创建了模型的形状、大小、颜色、连接关系等，这也就足够在rviz中动起来了，但是在gazebo中还需要配置模型相应的物理属性，如：质量、转动惯量、材质、碰撞等。

<collision>标签

• 说明：声明碰撞属性，只需要在里面加上对象的大小即可
• 参数：无
• 成对：是
• 例子：

<collision>
    <geometry>
      <box size="0.25 .16 .05"/>
    </geometry>
</collision>

<inertial>标签

• 说明：声明对象的质量，转动惯量
• 参数：<mass>,声明质量；<inertia>,声明转动惯量矩阵
• 成对：是
• 例子：

<inertial>
    <mass value="1.0"/>
    <inertia ixx="0.0054" iyy="0.0073" izz="0.0023" ixy="0" ixz="0" iyz="0"/>
</inertial>

Tips：转动惯量公式可以看看大学物理的课本或者自己推导下，这里贴上部分
圆柱体：

立方体：

<gazebo>标签下的<material>

• 说明：声明对象的质量，转动惯量
• 参数：reference，将对象的颜色与gazebo关联起来
• 成对：是
• 例子：

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

<gazebo>标签下的<plugin>

• 说明：声明对象的驱动方式
• 参数：较多，这里不写了见注释
• 成对：是
• 例子：

  <gazebo>
    <!--驱动方式这里是差速驱动-->
    <plugin name="differential_drive_controller" filename="libgazebo_ros_diff_drive.so">
      <leftJoint>left_back_wheel_joint</leftJoint>
      <rightJoint>right_back_wheel_joint</rightJoint>
      <robotBaseFrame>base_link</robotBaseFrame>
      <wheelSeparation>0.14</wheelSeparation><!--轮距-->
      <wheelDiameter>0.05</wheelDiameter><!--轮子直径-->
      <legacyMode>true</legacyMode>
      <publishWheelJointState>true</publishWheelJointState>
    </plugin>
   </gazebo> 

<gazebo>标签下的<sensor>

• 说明：声明传感器
• 参数：参数较多，见注释
• 成对：是
• 例子：

<gazebo reference="camera_link">
			<!--摄像头节点-->
            <sensor type="camera" name="camera_node">
                <!--发布频率-->
                <update_rate>30.0</update_rate>
                <!--摄像头名字-->
                <camera name="head">
                    <!--水平视场角-->
                    <horizontal_fov>1.3962634</horizontal_fov>
                    <!--图片参数-->
                    <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">
                    <!--摄像头常开-->
                    <alwaysOn>true</alwaysOn>
                    <updateRate>0.0</updateRate>
                    <cameraName>/camera</cameraName>
                    <!--摄像头发布的话题-->
                    <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>

修改urdf文件

根据上述所有的说明，我们可以把之前的SmartCar.urdf文件修改成支持gazebo的文件，如下：

<?xml version="1.0"?> 
<robot name="smartcar">

    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.25 .16 .05"/>
            </geometry>

            <origin rpy="0 0 1.57075" xyz="0 0 0"/>

            <material name="blue">
                <color rgba="0 .5 .8 1"/>
            </material>
        </visual>
    	<collision>
      	  <geometry>
        	<box size="0.25 .16 .05"/>
     	  </geometry>
    	</collision>
    	<inertial>
      	  <mass value="1.0"/>
      	  <inertia ixx="0.0054" iyy="0.0073" izz="0.0023" ixy="0" ixz="0" iyz="0"/>
    	</inertial>
    </link>
    <gazebo reference="base_link">
        <material>Gazebo/Yellow</material>
    </gazebo> 

    <link name="right_front_wheel">  
        <visual>  
            <geometry>  
                <cylinder length=".02" radius="0.025"/>  
            </geometry>  

            <material name="black">  
                <color rgba="0 0 0 1"/>  
            </material>  
        </visual>
    	<collision>
      	  <geometry>
        	<cylinder length=".02" radius="0.025"/>  
     	  </geometry>
    	</collision>
    	<inertial>
      	  <mass value="0.1"/>
      	  <inertia ixx="0.0000189" iyy=".0000189583" izz="0.00003125" ixy="0" ixz="0" iyz="0"/>
    	</inertial>
    </link>  
    
    <joint name="right_front_wheel_joint" type="continuous">  
        <axis xyz="0 0 1"/>  
        <parent link="base_link"/>  
        <child link="right_front_wheel"/>  
        <origin rpy="0 1.57075 0" xyz="0.08 0.1 -0.03"/>  
        <limit effort="100" velocity="100"/>  
        <joint_properties damping="0.0" friction="0.0"/>  
    </joint>
    <gazebo reference="right_front_wheel">
        <material>Gazebo/Black</material>
    </gazebo> 
    
    <link name="right_back_wheel">  
    <visual>  
        <geometry>  
        <cylinder length=".02" radius="0.025"/>  
        </geometry>  
        <material name="black">  
        <color rgba="0 0 0 1"/>  
        </material>  
    </visual>
    	<collision>
      	  <geometry>
        	<cylinder length=".02" radius="0.025"/>  
     	  </geometry>
    	</collision>
    	<inertial>
      	  <mass value="0.1"/>
      	  <inertia ixx="0.0000189" iyy=".0000189583" izz="0.00003125" ixy="0" ixz="0" iyz="0"/>
    	</inertial>
    </link>  
    
    <joint name="right_back_wheel_joint" type="continuous">  
        <axis xyz="0 0 1"/>  
        <parent link="base_link"/>  
        <child link="right_back_wheel"/>  
        <origin rpy="0 1.57075 0" xyz="0.08 -0.1 -0.03"/>  
        <limit effort="100" velocity="100"/>  
        <joint_properties damping="0.0" friction="0.0"/>  
    </joint>
    <gazebo reference="right_back_wheel">
        <material>Gazebo/Black</material>
    </gazebo> 
    
    <link name="left_front_wheel">  
        <visual>  
            <geometry>  
                <cylinder length=".02" radius="0.025"/>  
            </geometry>  
            <material name="black">  
                <color rgba="0 0 0 1"/>  
            </material>  
        </visual>
    	<collision>
      	  <geometry>
        	<cylinder length=".02" radius="0.025"/>  
     	  </geometry>
    	</collision>
    	<inertial>
      	  <mass value="0.1"/>
      	  <inertia ixx="0.0000189" iyy=".0000189583" izz="0.00003125" ixy="0" ixz="0" iyz="0"/>
    	</inertial>
    </link>  
    
    <joint name="left_front_wheel_joint" type="continuous">  
        <axis xyz="0 0 1"/>  
        <parent link="base_link"/>  
        <child link="left_front_wheel"/>  
        <origin rpy="0 1.57075 0" xyz="-0.08 0.1 -0.03"/>  
        <limit effort="100" velocity="100"/>  
        <joint_properties damping="0.0" friction="0.0"/>  
    </joint>
    <gazebo reference="left_front_wheel">
        <material>Gazebo/Black</material>
    </gazebo> 
    
    <link name="left_back_wheel">  
        <visual>  
            <geometry>  
                <cylinder length=".02" radius="0.025"/>  
            </geometry>  
            <material name="black">  
                <color rgba="0 0 0 1"/>  
            </material>  
        </visual>
    	<collision>
      	  <geometry>
        	<cylinder length=".02" radius="0.025"/>  
     	  </geometry>
    	</collision>
    	<inertial>
      	  <mass value="0.1"/>
      	  <inertia ixx="0.0000189" iyy=".0000189583" izz="0.00003125" ixy="0" ixz="0" iyz="0"/>
    	</inertial>  
    </link>  
    
    <joint name="left_back_wheel_joint" type="continuous">  
        <axis xyz="0 0 1"/>  
        <parent link="base_link"/>  
        <child link="left_back_wheel"/>  
        <origin rpy="0 1.57075 0" xyz="-0.08 -0.1 -0.03"/>  
        <limit effort="100" velocity="100"/>  
        <joint_properties damping="0.0" friction="0.0"/>  
    </joint>
    <gazebo reference="left_back_wheel">
        <material>Gazebo/Black</material>
    </gazebo> 
    
    <link name="camera_link">  
        <visual>  
            <geometry>  
                <box size=".02 .03 .03"/>  
            </geometry>  
            <material name="white">
                <color rgba="1 1 1 1"/>  
            </material>  
        </visual>
    	<collision>
      	  <geometry>
        	<box size="0.02 .03 .03"/>
     	  </geometry>
    	</collision>
    	<inertial>
      	  <mass value="0.1"/>
      	  <inertia ixx="0.000010833" iyy="0.000010833" izz="0.000015" ixy="0" ixz="0" iyz="0"/>
    	</inertial>
    </link>  
    
    <joint name="tobox" type="fixed">  
        <parent link="base_link"/>  
        <child link="camera_link"/>  
        <origin xyz="0 0.08 0.025" rpy="0 0 1.57"/>  
    </joint>
    <gazebo reference="camera">
        <material>Gazebo/Blue</material>
    </gazebo> 

  <gazebo>
    <plugin name="differential_drive_controller" filename="libgazebo_ros_diff_drive.so">
      <leftJoint>left_back_wheel_joint</leftJoint>
      <rightJoint>right_back_wheel_joint</rightJoint>
      <robotBaseFrame>base_link</robotBaseFrame>
      <wheelSeparation>0.14</wheelSeparation>
      <wheelDiameter>0.05</wheelDiameter>
      <legacyMode>true</legacyMode>
      <publishWheelJointState>true</publishWheelJointState>
    </plugin>
    <plugin name="differential_drive_controller" filename="libgazebo_ros_diff_drive.so">
      <leftJoint>left_front_wheel_joint</leftJoint>
      <rightJoint>right_front_wheel_joint</rightJoint>
      <robotBaseFrame>base_link</robotBaseFrame>
      <wheelSeparation>0.14</wheelSeparation>
      <wheelDiameter>0.05</wheelDiameter>
      <legacyMode>true</legacyMode>
      <publishWheelJointState>true</publishWheelJointState>
    </plugin>
  </gazebo>

  <gazebo reference="camera_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>
</robot>

创建启动文件

在launch下创建smartcar_display_gazebo.launch文件

cd ~/SmartCar_ws/src/smartcar_description/launch
gedit smartcar_display_gazebo.launch

smartcar_display_gazebo.launch如下：

<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 smartcar_description)/urdf/SmartCar.urdf'"/>


	<!--运行joint_state_publisher节点，发布机器人关节状态-->
	<node name = "robot_state_publisher" pkg = "robot_state_publisher" type = "state_publisher">
		<param name="publish_frequency" type="double" value="20.0" />
	</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 shcrobot -param robot_description"/> 
</launch>

启动仿真

cd ~/SmartCar_ws
source ./devel/setup.bash
roslaunch smartcar_description smartcar_display_gazebo.launch

查看摄像头的图

rqt_image_view 

这里如图选择

从gazebo左侧拖一个书柜进来看看

让他“飞”起来！！！

rostopic pub -r 10 /cmd_vel geometry_msgs/Twist '{linear: {x: 5, y: 0, z: 0}, angular: {x: 0, y: 0, z: 0}}'

总结

这里不知道是摩擦力的原因还是啥，四轮车在转向上表现的并不理想。。。下一章改成三轮小车吧，后两个轮子驱动，前面一个轮子转向。