【ROS入门】机器人系统仿真——URDF集成Gazebo

URDF与Gazebo基本集成流程

URDF 与 Gazebo 集成流程与 Rviz 实现类似，主要步骤如下:

创建功能包

创建功能包，导入依赖项：urdf、xacro、gazebo_ros、gazebo_ros_control、gazebo_plugins

编写URDF或Xacro文件

<robot name="mycar"><link name="base_link"><visual><geometry><box size="0.5 0.2 0.1" /></geometry><origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" /><material name="yellow"><color rgba="0.5 0.3 0.0 1" /></material></visual><collision><geometry><box size="0.5 0.2 0.1" /></geometry><origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" /></collision><inertial><origin xyz="0 0 0" /><mass value="6" /><inertia ixx="1" ixy="0" ixz="0" iyy="1" iyz="0" izz="1" /></inertial></link><gazebo reference="base_link"><material>Gazebo/Red</material></gazebo>
</robot>

注意， 当 URDF 需要与 Gazebo 集成时，和 Rviz 有明显区别:

1. 必须使用 collision 标签，因为既然是仿真环境，那么必然涉及到碰撞检测，collision 提供碰撞检测的依据。

2. 必须使用 inertial 标签，此标签标注了当前机器人某个刚体部分的惯性矩阵，用于一些力学相关的仿真计算。

3. 颜色设置，也需要重新使用 gazebo 标签标注，因为之前的颜色设置为了方便调试包含透明度，仿真环境下没有此选项。而且如果没设置的话，Gazebo环境里头是看不到机器人的 （气急败坏）

启动 Gazebo 并显示机器人模型

launch文件实现：

<launch><!-- 将 Urdf 文件的内容加载到参数服务器 --><param name="robot_description" textfile="$(find URDF_Gazebo)/urdf/demo01.urdf" /><!-- 启动 gazebo 的仿真环境，当前环境为空环境 --><include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch" /><!-- 在 Gazebo 中加载一个机器人模型，该功能由 gazebo_ros 下的 spawn_model 提供:-urdf 加载的是 urdf 文件-model mycar 模型名称是 mycar-param robot_description 从参数 robot_description 中载入模型-x 模型载入的 x 坐标-y 模型载入的 y 坐标-z 模型载入的 z 坐标
--><node pkg="gazebo_ros" type="spawn_model" name="model" args="-urdf -model mycar -param robot_description"  />
</launch>

实现效果：

URDF集成Gazebo相关设置

较之于 rviz，gazebo在集成 URDF 时，需要做些许修改，比如:必须添加 collision 碰撞属性相关参数、必须添加 inertial 惯性矩阵相关参数，另外，如果直接移植 Rviz 中机器人的颜色设置是没有显示的，颜色设置也必须做相应的变更。

collision

如果机器人link是标准的几何体形状，和link的 visual 属性设置一致即可。

inertial

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

<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>

圆柱惯性矩阵

<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>

立方体惯性矩阵

<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>

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。

颜色设置

在 gazebo 中显示 link 的颜色，必须要使用指定的标签：

<gazebo reference="link节点名称"><material>Gazebo/Blue</material>
</gazebo>

URDF集成Gazebo实操

需求描述： 将之前的机器人模型(xacro版)显示在 gazebo 中

编写封装惯性矩阵算法的 xacro 文件

head.xacro

<robot name="base" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro"><!-- Macro for inertia matrix --><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>

复制相关 xacro 文件，并设置 collision inertial 以及 color 等参数

底盘Xacro文件：demo05_car_base.urdf.xacro

<!--使用 xacro 优化 URDF 版的小车底盘实现：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="mycar" 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_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="${base_length}" /></geometry><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" /><material name="yellow"><color rgba="0.5 0.3 0.0 0.5" /></material></visual><collision><geometry><cylinder radius="${base_link_radius}" length="${base_length}" /></geometry><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" /></collision><xacro:cylinder_inertial_matrix m="${base_link_m}" r="${base_link_radius}" h="${base_length}" /></link><joint name="base_link2base_footprint" type="fixed"><parent link="base_footprint" /><child link="base_link" /><origin xyz="0 0 ${earth_space + base_length / 2 }" /></joint><gazebo reference="base_link"><material>Gazebo/Yellow</material></gazebo><!-- 驱动轮 --><!-- 驱动轮属性 --><xacro:property name="wheel_radius" value="0.0325" /><!-- 半径 --><xacro:property name="wheel_length" value="0.015" /><!-- 宽度 --><xacro:property name="wheel_m" value="0.05" /> <!-- 质量  --><!-- 驱动轮宏实现 --><xacro:macro name="add_wheels" params="name flag"><link name="${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} ${-(earth_space + base_length / 2 - wheel_radius) }" /><axis xyz="0 1 0" /></joint><gazebo reference="${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 ${-(base_length / 2 + earth_space / 2)}" /><axis xyz="1 1 1" /></joint><gazebo reference="${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Xacro文件：demo06_car_camera.urdf.xacro

<!-- 摄像头相关的 xacro 文件 -->
<robot name="mycar" 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="${base_length / 2 + camera_height / 2}" /> <!-- 摄像头安装的z坐标:底盘高度 / 2 + 摄像头高度 / 2  --><xacro:property name="camera_m" value="0.01" /> <!-- 摄像头质量 --><!-- 摄像头关节以及link --><link name="camera"><visual><geometry><box size="${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Xacro文件：demo07_car_laser.urdf.xacro

<!--小车底盘添加雷达
-->
<robot name="mycar" 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="${base_length / 2 + support_length / 2}" /> <!-- 支架安装的z坐标:底盘高度 / 2 + 支架高度 / 2  --><xacro:property name="support_m" value="0.02" /> <!-- 支架质量 --><link name="support"><visual><geometry><cylinder radius="${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>

组合底盘、摄像头与雷达的 Xacro 文件：car.urdf.xacro

<!-- 组合小车底盘与摄像头 -->
<robot name="mycar" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro"><xacro:include filename="my_head.urdf.xacro" /><xacro:include filename="demo05_car_base.urdf.xacro"/><xacro:include filename="demo06_car_camera.urdf.xacro"/><xacro:include filename="demo07_car_laser.urdf.xacro"/>
</robot>

在 launch 文件中启动 gazebo 并添加机器人模型

launch文件：

<launch><!-- 将 Urdf 文件的内容加载到参数服务器 --><param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro $(find URDF_Gazebo)/urdf/xacro/car.urdf.xacro" /><!-- 启动 gazebo --><include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch" /><!-- 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>

实现效果：