ROS机器人开发实践-＞机器人建模与仿真

淮北4942025-04-24 6:00

前言：

这篇博客知识一个整体性的了解对于机器人建模和仿真，更多详细的细节，见

6.4.2 Xacro_语法详解 · Autolabor-ROS机器人入门课程《ROS理论与实践》零基础教程

一、整体框架

机器人模型分为两个部分具体的形状和插件。有了这个具体的形状，只能保证机器人可以显示，但是如果想要控制机器人运动以及感知外部的世界，还需要加入第二部分插件。

二、基础知识

1.urdf基础知识

2.xacro基础知识

三、实际例子

1.机器人架构

2.launch文件

复制代码 
<launch>

    <!-- 将 Urdf 文件的内容加载到参数服务器 -->
    <param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro $(find car_gazebo_simulation)/urdf/xacro/robot_all.xacro" />
    <!-- 启动 gazebo -->
    <include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch">
        <arg name="world_name" value="$(find car_gazebo_simulation)/worlds/my_world.world" />
    </include>

    <!-- 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"  />

    <!-- rviz配置 -->
    <node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" />
	
	<!-- 运行robot_state_publisher节点，发布tf  -->
	<node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" />
	
    <node pkg="tf2_ros" type="static_transform_publisher" name="static_transform_publisher" args="0 0 0 -1.57 0 -1.57 /support /support_depth" />
	<!-- 运行rviz可视化界面 -->
	<node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz" args="-d $(find car_gazebo_simulation)/config/robot_all.rviz"/>
</launch>

3.机器人模型xacro文件

（1）robot_inertial.xacro

html 复制代码 
<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>

（2）base_link.xacro

html 复制代码 
<!--
    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="my_base" 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_link_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_link_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_link_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_link_length}" />

    </link>


    <joint name="base_link2base_footprint" type="fixed">
      <parent link="base_footprint" />
      <child link="base_link" />
      <origin xyz="0 0 ${earth_space + base_link_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_link_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 ${-(base_link_length / 2 + earth_space / 2)}" />
          <axis xyz="1 1 1" />
      </joint>
      <gazebo reference="${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>

（3）camera.xacro

html 复制代码 
<!-- 摄像头相关的 xacro 文件 -->
<robot name="my_camera" 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_link_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>

（4）lidar.xacro

html 复制代码 
<!--
    小车底盘添加雷达
-->
<robot name="my_laser" 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_link_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>

4.传感器模块xacro文件

（1）camera_sensor.xacro

html 复制代码 
<robot name="my_sensors" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
  <!-- 被引用的link camera_info ： 相机内参   <cameraName>/camera</cameraName>  命名空间-->
  <gazebo reference="camera">
    <!-- 类型设置为 camara -->
    <sensor type="camera" name="camera_node">
      <update_rate>30.0</update_rate> <!-- 更新频率 -->
      <!-- 摄像头基本信息设置 -->
      <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>
      <!-- 核心插件 -->
      <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</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>

（2）kinect_sensor.xacro

在模型里面没有单独设计kinect，所以使用support的立柱代替

html 复制代码 
<robot name="my_sensors" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
      <!-- 这里由于没有设计深度相机的模型，所以使用雷达的支撑杆代替了-->
    <gazebo reference="support">  
      <sensor type="depth" name="camera">
        <always_on>true</always_on>
        <update_rate>20.0</update_rate>
        <camera>
          <horizontal_fov>${60.0*PI/180.0}</horizontal_fov>
          <image>
            <format>R8G8B8</format>
            <width>640</width>
            <height>480</height>
          </image>
          <clip>
            <near>0.05</near>
            <far>8.0</far>
          </clip>
        </camera>
        <plugin name="kinect_camera_controller" filename="libgazebo_ros_openni_kinect.so">
          <cameraName>camera</cameraName>
          <alwaysOn>true</alwaysOn>
          <updateRate>10</updateRate>
          <imageTopicName>rgb/image_raw</imageTopicName>
          <depthImageTopicName>depth/image_raw</depthImageTopicName>
          <pointCloudTopicName>depth/points</pointCloudTopicName>
          <cameraInfoTopicName>rgb/camera_info</cameraInfoTopicName>
          <depthImageCameraInfoTopicName>depth/camera_info</depthImageCameraInfoTopicName>
          <frameName>support_depth</frameName>
          <baseline>0.1</baseline>
          <distortion_k1>0.0</distortion_k1>
          <distortion_k2>0.0</distortion_k2>
          <distortion_k3>0.0</distortion_k3>
          <distortion_t1>0.0</distortion_t1>
          <distortion_t2>0.0</distortion_t2>
          <pointCloudCutoff>0.4</pointCloudCutoff>
        </plugin>
      </sensor>
    </gazebo>

</robot>

（3）lidar_sensor.xacro

html 复制代码 
<robot name="my_sensors" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">

  <!-- 雷达   <gazebo reference="laser" <frameName>laser</frameName>  前面的模具的坐标系>   前面的雷达模型的额名称-->
  <gazebo reference="laser">
    <sensor type="ray" name="rplidar">
      <pose>0 0 0 0 0 0</pose>
      <visualize>true</visualize>
      <update_rate>5.5</update_rate>
      <ray>
        <scan>
          <horizontal>
            <samples>360</samples>
            <resolution>1</resolution>
            <min_angle>-3</min_angle>
            <max_angle>3</max_angle>
          </horizontal>
        </scan>
        <range>
          <min>0.10</min>
          <max>30.0</max>
          <resolution>0.01</resolution>
        </range>
        <noise>
          <type>gaussian</type>
          <mean>0.0</mean>
          <stddev>0.01</stddev>
        </noise>
      </ray>
      <plugin name="gazebo_rplidar" filename="libgazebo_ros_laser.so">
        <topicName>/scan</topicName>
        <frameName>laser</frameName>
      </plugin>
    </sensor>
  </gazebo>

</robot>

（4）move_equipment.xacro

html 复制代码 
<robot name="my_car_move" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">

    <!-- 传动实现:用于连接控制器与关节 -->
    <xacro:macro name="joint_trans" params="joint_name">
        <!-- Transmission is important to link the joints and the controller -->
        <transmission name="${joint_name}_trans">
            <type>transmission_interface/SimpleTransmission</type>
            <joint name="${joint_name}">
                <hardwareInterface>hardware_interface/VelocityJointInterface</hardwareInterface>
            </joint>
            <actuator name="${joint_name}_motor">
                <hardwareInterface>hardware_interface/VelocityJointInterface</hardwareInterface>
                <mechanicalReduction>1</mechanicalReduction>
            </actuator>
        </transmission>
    </xacro:macro>

    <!-- 每一个驱动轮都需要配置传动装置 -->
    <xacro:joint_trans joint_name="left_wheel2base_link" />
    <xacro:joint_trans joint_name="right_wheel2base_link" />

    <!-- 控制器 -->
    <gazebo>
        <plugin name="differential_drive_controller" filename="libgazebo_ros_diff_drive.so">
            <rosDebugLevel>Debug</rosDebugLevel>
            <publishWheelTF>true</publishWheelTF>
            <robotNamespace>/</robotNamespace>
            <publishTf>1</publishTf>
            <publishWheelJointState>true</publishWheelJointState>
            <alwaysOn>true</alwaysOn>
            <updateRate>100.0</updateRate>
            <legacyMode>true</legacyMode>
            <leftJoint>left_wheel2base_link</leftJoint> <!-- 左轮 -->
            <rightJoint>right_wheel2base_link</rightJoint> <!-- 右轮 -->
            <wheelSeparation>${base_link_radius * 2}</wheelSeparation> <!-- 车轮间距 -->
            <wheelDiameter>${wheel_radius * 2}</wheelDiameter> <!-- 车轮直径 -->
            <broadcastTF>1</broadcastTF>
            <wheelTorque>30</wheelTorque>
            <wheelAcceleration>1.8</wheelAcceleration>
            <commandTopic>cmd_vel</commandTopic> <!-- 运动控制话题 -->
            <odometryFrame>odom</odometryFrame> 
            <odometryTopic>odom</odometryTopic> <!-- 里程计话题 -->
            <robotBaseFrame>base_footprint</robotBaseFrame> <!-- 根坐标系 -->
        </plugin>
    </gazebo>

</robot>

5.总的xacro文件

html 复制代码 
<!-- 组合小车底盘与摄像头 -->
<robot name="my_car_camera" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
    <xacro:include filename="robot_inertial.xacro" />
    <xacro:include filename="base_link.xacro" />
    <xacro:include filename="camera.xacro" />
    <xacro:include filename="lidar.xacro" />
    <xacro:include filename="$(find car_gazebo_simulation)/urdf/gazebo/move_equipment.xacro" />
    <!-- 雷达仿真的 xacro 文件 -->
    <xacro:include filename="$(find car_gazebo_simulation)/urdf/gazebo/lidar_sensor.xacro" />

    <xacro:include filename="$(find car_gazebo_simulation)/urdf/gazebo/camera_sensor.xacro" />

    <xacro:include filename="$(find car_gazebo_simulation)/urdf/gazebo/kinect_sensor.xacro" />
</robot>

四、关于gazabo生成世界地图

1.添加内置组件创建仿真环境
1.1启动 Gazebo 并添加组件
1.2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

1.3 启动

html 复制代码 
    <include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch">
        <arg name="world_name" value="$(find demo02_urdf_gazebo)/worlds/hello.world" />
    </include>
2.自定义仿真环境
2.1 启动 gazebo 打开构建面板，绘制仿真环境
2.2 保存构建的环境

点击: 左上角 file ---> Save (保存路径功能包下的: models)

然后 file ---> Exit Building Editor

2.3 保存为 world 文件

可以像方式1一样再添加一些插件，然后保存为 world 文件(保存路径功能包下的: worlds)

2.4 启动

同方式1

3.使用官方提供的插件
3.1 下载官方模型库
html 复制代码 
git clone https://github.com/osrf/gazebo_models
3.2 将模型库复制进 gazebo

将得到的gazebo_models文件夹内容复制到 /usr/share/gazebo-*/models。注意是gazebo_models文件夹里面的内容，不是gazebo_models文件夹。

3.3 应用

重启 Gazebo，选择左侧菜单栏的 insert 可以选择并插入相关道具了

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