我们将学习统一机器人描述格式（URDF） 的基础知识，并搭建一台功能完整、搭载激光雷达传感器的两轮移动机器人，为仿真环境做好准备。
现在，让我们深入探究机器人的「骨骼」结构。
目录
[第一章：基础 XML 框架与连杆](#第一章：基础 XML 框架与连杆)
[1.1 XML 框架](#1.1 XML 框架)
[1.2 连杆（link）](#1.2 连杆（link）)
[1.3 第一个实战任务](#1.3 第一个实战任务)
[任务要求：编写机器人的初始 XML 代码](#任务要求：编写机器人的初始 XML 代码)
[2.1 父 / 子层级结构](#2.1 父 / 子层级结构)
[2.2 关节类型](#2.2 关节类型)
[2.3 关节语法](#2.3 关节语法)
[2.4 下一任务](#2.4 下一任务)
[第三章：原点与坐标变换（xyz 平移与 rpy 旋转）](#第三章：原点与坐标变换（xyz 平移与 rpy 旋转）)
[3.1 原点与坐标变换基础](#3.1 原点与坐标变换基础)
[3.2 在三维空间中放置车轮](#3.2 在三维空间中放置车轮)
[3.3 为什么左车轮渲染后显示在右侧？](#3.3 为什么左车轮渲染后显示在右侧？)
[1. 观察视角](#1. 观察视角)
[2. 旋转参数（rpy）](#2. 旋转参数（rpy）)
[3. 坐标标准](#3. 坐标标准)
[3.4 下一任务](#3.4 下一任务)
[4.1 固定关节](#4.1 固定关节)
[4.2 激光雷达的安装位置](#4.2 激光雷达的安装位置)
[4.3 下一任务](#4.3 下一任务)
[5.1 碰撞标签](#5.1 碰撞标签)
[5.2 惯性标签](#5.2 惯性标签)
[5.3 下一任务](#5.3 下一任务)
[第六章：Gazebo 插件（让机器人 "活" 起来）](#第六章：Gazebo 插件（让机器人 “活” 起来）)
[6.1 标签](#6.1 标签)
[6.2 任务](#6.2 任务)
[第七章：用于在 Gazebo 中生成机器人的 ROS2 启动文件](#第七章：用于在 Gazebo 中生成机器人的 ROS2 启动文件)
[7.1 机器人状态发布器](#7.1 机器人状态发布器)
[7.2 启动文件框架](#7.2 启动文件框架)
[7.3 下一任务](#7.3 下一任务)
[7.4 在 Gazebo 中生成机器人](#7.4 在 Gazebo 中生成机器人)
[7.5 下一任务](#7.5 下一任务)
[终端 1（启动 Gazebo）](#终端 1（启动 Gazebo）)
[1. 修复车轮问题（缺失物理属性）](#1. 修复车轮问题（缺失物理属性）)
[2. 添加核心「系统插件」](#2. 添加核心「系统插件」)
[修复激光雷达（Harmonic 版本语法](#修复激光雷达（Harmonic 版本语法))
第一章：基础 XML 框架与连杆
URDF 是基于 XML 语言的描述格式，广泛应用于机器人操作系统（ROS） 中，用于定义机器人的物理结构。
1.1 XML 框架
所有 URDF 文件都必须以标准的 XML 声明开头，随后用根标签 <robot> 包裹整个机器人模型。
XML
<?xml version="1.0"?>
<robot name="two_wheeled_bot">
</robot>1.2 连杆（link）
连杆代表机器人的刚体部件，你可以把它理解为骨骼模型中的单块「骨头」。车轮是连杆、底盘是连杆、传感器支架也是连杆。
在 <link> 标签内部，我们通常定义三个核心属性：
<visual>：连杆的可视化外观 （在 RViz、Gazebo 等仿真工具中可见的模型），内部包含<geometry>标签，用于定义几何形状（如立方体、圆柱体、球体）。<collision>：用于物理引擎计算碰撞的物理边界。为节省算力，该形状通常是可视化几何模型的简化版本。<inertial>：物理属性，包含质量 和质心，是实现真实物理仿真的关键参数（我们将在后续章节添加）。
以下是立方体可视化几何模型的基础语法：
<visual>
<geometry>
<box size="0.5 0.3 0.1"/>
</geometry>
</visual>1.3 第一个实战任务
我们来搭建机器人的主体（底盘）。在机器人技术中，核心结构连杆的命名固定为 base_link（基连杆）。
任务要求：编写机器人的初始 XML 代码
- 以 XML 声明和
<robot>根标签开头（机器人名称可自定义）； - 在根标签内创建一个名称为
base_link的<link>； - 为
base_link添加<visual>标签，并定义立方体几何形状，自定义合适的尺寸作为矩形底盘。
python
<?xml version="1.0"?>
<robot name="roamer_bot">
<!-- The chassis of the robot -->
<link name="base_link">
<visual>
<geometry>
<!-- a box 0.6m long, 0.4m wide, and 0.2m high -->
<box size="0.6 0.4 0.2"/>
</geometry>
<material name="blue">
<color rgba="0 0 1 1"/>
</material>
</visual>
</link>
</robot>使用网址 https://viewer.robotsfan.com （或 https://browserbotics.com/urdf-editor），按下方效果渲染 URDF 文件。
注意：你需要创建一个后缀为 .urdf 的文件，并将其上传才能完成渲染。
第二章：关节与层级结构（"铰链"）
在 URDF 描述语言中，机器人的构建结构类似于家族树 。它从一个根连杆 （即我们的 base_link 基础连杆）开始，向外延伸分支。我们使用 <joint>（关节）标签，将一个新的「子连杆」连接到「父连杆」上。
2.1 父 / 子层级结构
每个关节仅连接一个父连杆和一个子连杆 。由于 base_link 是机器人的核心部件，它将作为父连杆 ，我们安装的车轮则作为子连杆。
2.2 关节类型
和人类的关节一样，机器人关节拥有不同的运动范围。构建简易移动机器人时，最常用的两种关节类型为：
- fixed（固定关节）：部件之间刚性连接，无法相对运动（非常适合后续安装激光雷达传感器）。
- continuous（连续旋转关节） ：关节可围绕一根轴无限旋转、无角度限制 ，这是车轮专用的关节类型。补充说明：revolute（有限旋转关节） 与它类似，但拥有严格的最大 / 最小角度限制，就像人类的膝盖或手肘关节！
2.3 关节语法
以下是基础关节的编写格式。我们会在第三章（原点）中详细讲解关节的具体位置配置，现阶段只需完成连杆的连接即可：
<joint name="left_wheel_joint" type="continuous">
<parent link="base_link"/>
<child link="left_wheel"/>
</joint>2.4 下一任务
如果车轮连杆还未定义，我们就无法为它安装关节！在本任务中，我们需要定义一个车轮连杆 以及对应的关节。请将以下代码添加到 <robot> 包裹标签内，紧接在 base_link 标签的下方。
你的任务要求：
-
创建一个新的
<link>（连杆），命名为left_wheel（左车轮）； -
在该连杆内部，添加
<visual>（可视化）标签，并使用圆柱体 作为几何形状。提示：圆柱体的语法格式为<cylinder radius="0.1" length="0.05"/>；你可以按需为它设置颜色！ -
在该连杆下方，创建一个
<joint>（关节），命名为left_wheel_joint； -
将关节类型设置为
continuous（连续旋转）； -
设置父连杆为
base_link，子连杆为left_wheel。
添加上节点后，机器人的渲染效果如下
正如我们在上方的 URDF 渲染效果中看到的，左车轮目前被 **"嵌套"** 在机器人正中心的蓝色立方体（车身）内部。
在 URDF 中，如果我们不为关节指定 <origin>（原点）标签，它的默认参数为 xyz="0 0 0"。由于我们的 base_link（基础连杆）是宽体立方体，而左车轮是细长圆柱体，因此车身会将车轮完全包裹住。我们将在下一章节深入学习 <origin> 标签的用法。
第三章：原点与坐标变换（xyz 平移与 rpy 旋转）
3.1 原点与坐标变换基础
默认情况下，URDF 会将所有子连杆的中心点精准对齐到其父连杆的中心点。如果我们不为车轮设置偏移量，它们就会完全嵌入底盘的中心内部！
我们在关节内部使用 <origin> 标签来设置子连杆的偏移量，该标签包含两个核心属性：
- xyz（平移） ：沿 X 轴（前后）、Y 轴（左右）、Z 轴（上下）移动子连杆，单位为米。
- rpy（旋转） ：通过横滚（绕 X 轴）、俯仰（绕 Y 轴）、偏航（绕 Z 轴） 实现子连杆旋转，单位为弧度，而非角度！
3.2 在三维空间中放置车轮
我们通过 xyz（平移）和 rpy（旋转）坐标，详细拆解车轮的正确摆放位置：
- 平移（xyz） 我们的底盘在 Y 轴方向宽度为 0.4 米。这意味着从中心点计算，左侧边缘坐标为
Y=0.2m，右侧边缘坐标为Y=-0.2m。
我们将车轮略微向外移出底盘边缘，设置为：左车轮 Y=0.225、右车轮 Y=-0.225。同时，将车轮向机器人后方小幅移动（X=-0.15），并向下调整高度，让底盘脱离地面（Z=-0.1）。
-
旋转（rpy） 如前所述，圆柱体默认竖直生成。为了让车轮水平放置并实现滚动，我们必须将其绕 X 轴旋转 90 度（横滚）。90 度对应的弧度值约为 1.5708，因此旋转参数设置为
rpy="1.5708 0 0"。 -
旋转轴（
<axis>） 由于车轮旋转后，其 Z 轴指向侧面，车轮需要绕该 Z 轴旋转才能向前滚动。因此，我们在关节中添加<axis xyz="0 0 1"/>。
左车轮的完整关节代码如下所示：
XML
<?xml version="1.0"?>
<robot name="roamer_bot">
<!-- The chassis of the robot -->
<link name="base_link">
<visual>
<geometry>
<!-- a box 0.6m long, 0.4m wide, and 0.2m high -->
<box size="0.6 0.4 0.2"/>
</geometry>
<material name="blue">
<color rgba="0 0 1 1"/>
</material>
</visual>
</link>
<!-- The Left Wheel -->
<link name="left_wheel">
<visual>
<geometry>
<!-- A cylinder for the wheel -->
<cylinder radius="0.1" length="0.05"/>
</geometry>
<material name="black">
<color rgba="0 0 0 1"/>
</material>
</visual>
</link>
<joint name="left_wheel_joint" type="continuous">
<parent link="base_link"/>
<child link="left_wheel"/>
<origin xyz="-0.15 0.225 -0.1" rpy="1.5708 0 0"/>
<axis xyz="0 0 1"/>
</joint>
</robot>
3.3 为什么左车轮渲染后显示在右侧？
在机器人学和计算机图形学中，模型显示为「左侧」或「右侧」，完全取决于坐标系的朝向（即坐标系的前进方向）。
我们命名的左车轮（left_wheel）在视图中出现在右侧，大概率是以下三个原因之一：
1. 观察视角
我们是从机器人正前方 观察模型的。在机器人学规范中（遵循 REP 103 标准），X 轴代表前进方向。
- 从机器人自身视角来看，Y 轴正方向（0.225）在数学定义中为左侧；
- 当你正对机器人观察时，它的左侧会出现在你的右侧，就像一个人面向你站立时的左右对称关系。
2. 旋转参数（rpy）
代码中配置了旋转数值。如果该数值为负数（例如 -1.5708），会翻转子连杆坐标系的朝向，导致位置显示不符合直观认知。
3. 坐标标准
绝大多数 URDF 查看器遵循右手定则：
- X 轴（红色）：前进方向
- Y 轴（绿色）：左侧
- Z 轴（蓝色）：上方如果旋转相机视角，让 ** 前进方向（X 轴）** 朝向远离你的一侧，你就会看到左车轮出现在屏幕的左侧。
3.4 下一任务
让我们完成机器人底盘的完整装配！我们需要将底盘和两个车轮都正确摆放。
作业要求：
在你已编写的 URDF 文件基础上，补充缺失的部件，确保 <robot> 根标签内完整包含以下内容：
base_link（底盘连杆）left_wheel（左车轮连杆）以及left_wheel_joint（左车轮关节，使用上文中的原点和旋转轴参数）right_wheel（右车轮连杆）以及right_wheel_joint（右车轮关节，务必将原点 Y 轴参数设置为-0.225，使车轮位于底盘的另一侧）
XML
<?xml version="1.0"?>
<robot name="roamer_bot">
<!-- The chassis of the robot -->
<link name="base_link">
<visual>
<geometry>
<!-- a box 0.6m long, 0.4m wide, and 0.2m high -->
<box size="0.6 0.4 0.2"/>
</geometry>
<material name="blue">
<color rgba="0 0 1 1"/>
</material>
</visual>
</link>
<!-- The Left Wheel -->
<link name="left_wheel">
<visual>
<geometry>
<!-- A cylinder for the wheel -->
<cylinder radius="0.1" length="0.05"/>
</geometry>
<material name="black">
<color rgba="0 0 0 1"/>
</material>
</visual>
</link>
<joint name="left_wheel_joint" type="continuous">
<parent link="base_link"/>
<child link="left_wheel"/>
<origin xyz="-0.15 0.225 -0.1" rpy="1.5708 0 0"/>
<axis xyz="0 0 1"/>
</joint>
<!-- The Right Wheel -->
<link name="right_wheel">
<visual>
<geometry>
<cylinder radius="0.1" length="0.05"/>
</geometry>
<material name="black">
<color rgba="0 0 0 1"/>
</material>
</visual>
</link>
<joint name="right_wheel_joint" type="continuous">
<parent link="base_link"/>
<child link="right_wheel"/>
<!-- Positioned toward the back (-0.15x) and right (-0.225y) -->
<origin xyz="-0.15 -0.225 -0.1" rpy="1.5708 0 0"/>
<axis xyz="0 0 1"/>
</joint>
</robot>
第四章：传感器与插件（添加激光雷达）
如果移动机器人无法感知周围环境，就谈不上真正的自主运行！在二维建图与导航领域，最常用的传感器是二维激光雷达（Lidar，激光探测与测距）。
要为机器人添加激光雷达，首先需要定义它的实体模型。和车轮一样，激光雷达也是一个独立的 <link>（连杆），并通过 <joint>（关节）连接到 base_link（底盘）上。
4.1 固定关节
与车轮不同，传感器不能随底盘独立旋转或移动，必须刚性固定安装 。因此我们使用 fixed（固定关节） 。固定关节无需配置 <axis>（旋转轴）标签，因为它没有运动自由度。
XML
<joint name="my_fixed_joint" type="fixed">
<parent link="base_link"/>
<child link="my_sensor_link"/>
<origin xyz="X Y Z" rpy="0 0 0"/>
</joint>4.2 激光雷达的安装位置
我们应该把激光雷达安装在哪里？通常情况下，激光雷达会放置在顶部中心 或稍靠前的位置，以获得无遮挡的探测视野。
- X 轴（前后方向）：我们将其安装在靠近前端的位置。底盘长度为 0.6 米，因此前端边缘的坐标为 X=0.3，我们把激光雷达设置在 X=0.2 处。
- Y 轴（左右方向）：正中心位置，即 Y=0。
- Z 轴（上下方向）：底盘高度为 0.2 米。由于立方体的原点位于正中心，因此底盘上表面的坐标为 Z=0.1。我们将传感器直接安装在顶部，即 Z=0.1 处。（注意：根据圆柱体的高度，你可能需要在 Z 轴坐标上增加半个圆柱体的高度，避免模型嵌入底盘；通常设置 Z=0.12 是最稳妥的选择！）
4.3 下一任务
让我们为你的漫游机器人（roamer_bot）顶部安装一台激光雷达。
作业要求：
- 创建一个新的连杆，命名为
lidar_link； - 为该连杆添加
<visual>可视化标签，使用圆柱体 作为几何形状，尺寸设置小一些：半径radius="0.05"、长度length="0.04"，并将其设置为红色，便于区分； - 创建一个关节，命名为
lidar_joint； - 将关节类型设置为
fixed（固定关节）； - 设置父连杆为
base_link，子连杆为lidar_link； - 设置原点参数：
xyz="0.2 0 0.12"，rpy="0 0 0"（无需添加旋转轴<axis>标签）。
XML
<?xml version="1.0"?>
<robot name="roamer_bot">
<!-- The chassis of the robot -->
<link name="base_link">
<visual>
<geometry>
<!-- a box 0.6m long, 0.4m wide, and 0.2m high -->
<box size="0.6 0.4 0.2"/>
</geometry>
<material name="blue">
<color rgba="0 0 1 1"/>
</material>
</visual>
</link>
<!-- The Left Wheel -->
<link name="left_wheel">
<visual>
<geometry>
<!-- A cylinder for the wheel -->
<cylinder radius="0.1" length="0.05"/>
</geometry>
<material name="black">
<color rgba="0 0 0 1"/>
</material>
</visual>
</link>
<joint name="left_wheel_joint" type="continuous">
<parent link="base_link"/>
<child link="left_wheel"/>
<origin xyz="-0.15 0.225 -0.1" rpy="1.5708 0 0"/>
<axis xyz="0 0 1"/>
</joint>
<!-- The Right Wheel -->
<link name="right_wheel">
<visual>
<geometry>
<cylinder radius="0.1" length="0.05"/>
</geometry>
<material name="black">
<color rgba="0 0 0 1"/>
</material>
</visual>
</link>
<joint name="right_wheel_joint" type="continuous">
<parent link="base_link"/>
<child link="right_wheel"/>
<!-- Positioned toward the back (-0.15x) and right (-0.225y) -->
<origin xyz="-0.15 -0.225 -0.1" rpy="1.5708 0 0"/>
<axis xyz="0 0 1"/>
</joint>
<!-- The Lidar Sensor -->
<link name="lidar_link">
<visual>
<geometry>
<!-- A small cylinder for the sensor -->
<cylinder radius="0.05" length="0.04"/>
</geometry>
<material name="red">
<color rgba="1 0 0 1"/>
</material>
</visual>
</link>
<!-- The Fixed Joint for the Lidar -->
<joint name="lidar_joint" type="fixed">
<parent link="base_link"/>
<child link="lidar_link"/>
<!-- Positioned at the front (+0.2x) and on top (+0.12z) of the box -->
<origin xyz="0.2 0 0.12" rpy="0 0 0"/>
</joint>
</robot>
我们的漫游机器人（roamer_bot）视觉建模已全部完成。我们完成了底盘的精准定位、车轮的滚动姿态调整，也将传感器安装在了指定位置。
但目前，我们的机器人本质上只是一个全息投影模型 。如果将它直接导入 Gazebo 等物理仿真器，它会直接穿透地面掉落！为了让机器人能与物理世界产生真实交互，我们需要回顾第一章，补全剩余的核心物理骨架 ：碰撞属性 和惯性属性。
第五章：物理仿真配置（碰撞属性与惯性属性）
要实现物理仿真，仿真器必须知晓每个连杆的两个核心参数：
- 实体碰撞边界（与其他物体发生碰撞的范围）
- 质量与重量分布
5.1 <collision> 碰撞标签
碰撞标签用于定义连杆的物理碰撞盒（Hitbox） 。绝大多数情况下（尤其立方体、圆柱体等简单几何体），我们可以直接复制 <visual> 可视化标签中使用的几何形状参数。
<collision>
<geometry>
<box size="0.6 0.4 0.2"/>
</geometry>
</collision>5.2 <inertial> 惯性标签
该标签用于告知物理引擎：连杆的重量、重量分布方式，这直接决定了物体的加速度与旋转特性 。配置惯性标签必须包含两个参数：<mass>（质量） 和 <inertia> 矩阵（惯性张量）。
计算三维几何体的 3×3 惯性张量 ，需要通过复杂的数学公式描述物体沿不同坐标轴的转动惯量：
由于手动计算每种几何体的惯性参数十分繁琐，ROS机器人开发者通常会使用宏命令、CAD 软件或标准公式自动生成这些参数。对于我们的底盘（质量为 5 千克的立方体），预先计算完成的惯性模块代码如下：
<inertial>
<mass value="5.0"/>
<inertia ixx="0.083" ixy="0.0" ixz="0.0" iyy="0.166" iyz="0.0" izz="0.216"/>
</inertial>5.3 下一任务
让我们为你的基础连杆（base_link）添加实体碰撞属性 和质量属性！
作业要求：
更新你的 base_link 代码，使其包含全部三个核心组件：
- 完全保留 你现有的
<visual>（可视化）标签，不做任何修改； - 在可视化标签正下方 添加
<collision>（碰撞）标签，使用与可视化标签完全相同的立方体几何参数； - 添加上文提供的
<inertial>（惯性）标签，使底盘的质量为 5 千克。
XML
<?xml version="1.0"?>
<robot name="roamer_bot">
<!-- The chassis of the robot -->
<link name="base_link">
<!-- Visual: What you see -->
<visual>
<geometry>
<!-- a box 0.6m long, 0.4m wide, and 0.2m high -->
<box size="0.6 0.4 0.2"/>
</geometry>
<material name="blue">
<color rgba="0 0 1 1"/>
</material>
</visual>
<!-- Collision: What the physics engine "feels" -->
<collision>
<geometry>
<box size="0.6 0.4 0.2"/>
</geometry>
</collision>
<!-- Inertial: How heavy it is and how it balances -->
<inertial>
<mass value="5.0"/>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
<inertia ixx="0.083" ixy="0" ixz="0" iyy="0.167" iyz="0" izz="0.217"/>
</inertial>
</link>
<!-- The Left Wheel -->
<link name="left_wheel">
<visual>
<geometry>
<!-- A cylinder for the wheel -->
<cylinder radius="0.1" length="0.05"/>
</geometry>
<material name="black">
<color rgba="0 0 0 1"/>
</material>
</visual>
</link>
<joint name="left_wheel_joint" type="continuous">
<parent link="base_link"/>
<child link="left_wheel"/>
<origin xyz="-0.15 0.225 -0.1" rpy="1.5708 0 0"/>
<axis xyz="0 0 1"/>
</joint>
<!-- The Right Wheel -->
<link name="right_wheel">
<visual>
<geometry>
<cylinder radius="0.1" length="0.05"/>
</geometry>
<material name="black">
<color rgba="0 0 0 1"/>
</material>
</visual>
</link>
<joint name="right_wheel_joint" type="continuous">
<parent link="base_link"/>
<child link="right_wheel"/>
<!-- Positioned toward the back (-0.15x) and right (-0.225y) -->
<origin xyz="-0.15 -0.225 -0.1" rpy="1.5708 0 0"/>
<axis xyz="0 0 1"/>
</joint>
<!-- The Lidar Sensor -->
<link name="lidar_link">
<visual>
<geometry>
<!-- A small cylinder for the sensor -->
<cylinder radius="0.05" length="0.04"/>
</geometry>
<material name="red">
<color rgba="1 0 0 1"/>
</material>
</visual>
</link>
<!-- The Fixed Joint for the Lidar -->
<joint name="lidar_joint" type="fixed">
<parent link="base_link"/>
<child link="lidar_link"/>
<!-- Positioned at the front (+0.2x) and on top (+0.12z) of the box -->
<origin xyz="0.2 0 0.12" rpy="0 0 0"/>
</joint>
</robot>由于 https://viewer.robotsfan.com/ 仅用于模型可视化，因此页面显示效果会和之前完全一致
第六章：Gazebo 插件（让机器人 "活" 起来）
目前，我们的激光雷达连杆（lidar_link）仅仅是一个具备物理质量的红色圆柱体。它既无法发射激光，也不能采集环境数据。URDF 仅负责描述机器人的物理外观与结构 ，若要让零部件在 Gazebo 等仿真器中实现实际功能 ，我们必须使用插件。
插件是一段编译进仿真器的 C++ 代码，它会绑定到 URDF 模型的指定部件上，为其赋予专属功能（例如作为摄像头、激光扫描仪或电机控制器）。
6.1 <gazebo> 标签
要将插件与机器人模型关联，我们需要使用 <gazebo> 标签。通过 reference（引用）属性，我们可以精准告知 Gazebo：该插件归属哪一个连杆或关节。
以下是标准的 Gazebo 二维激光雷达插件代码示例。它会指令仿真器发射 360° 激光射线，最大探测距离为 10 米，并发布探测数据，让我们的机器人实现环境感知（"看见" 世界）：
XML
<gazebo reference="lidar_link">
<sensor type="ray" name="lidar_sensor">
<pose>0 0 0 0 0 0</pose>
<visualize>true</visualize>
<update_rate>10</update_rate>
<ray>
<scan>
<horizontal>
<samples>360</samples>
<resolution>1</resolution>
<min_angle>-3.14159</min_angle>
<max_angle>3.14159</max_angle>
</horizontal>
</scan>
<range>
<min>0.3</min>
<max>10.0</max>
</range>
</ray>
<plugin name="gazebo_ros_laser" filename="libgazebo_ros_ray_sensor.so">
<ros>
<remapping>~/out:=scan</remapping>
</ros>
<output_type>sensor_msgs/LaserScan</output_type>
<frame_name>lidar_link</frame_name>
</plugin>
</sensor>
</gazebo>6.2 任务
由于 Gazebo 插件的配置参数十分具体、代码篇幅较长，机器人工程师几乎都会直接复制上述这类标准模板并进行微调，而非从零手动编写。
作业要求：
- 复制上文提供的完整
<gazebo>代码块； - 将其粘贴到你的 URDF 文件中。最佳实践 ：把
<gazebo>标签放在文件的最底部，紧邻最终的闭合标签</robot>上方。
XML
<?xml version="1.0"?>
<robot name="roamer_bot">
<!-- The chassis of the robot -->
<link name="base_link">
<!-- Visual: What you see -->
<visual>
<geometry>
<!-- a box 0.6m long, 0.4m wide, and 0.2m high -->
<box size="0.6 0.4 0.2"/>
</geometry>
<material name="blue">
<color rgba="0 0 1 1"/>
</material>
</visual>
<!-- Collision: What the physics engine "feels" -->
<collision>
<geometry>
<box size="0.6 0.4 0.2"/>
</geometry>
</collision>
<!-- Inertial: How heavy it is and how it balances -->
<inertial>
<mass value="5.0"/>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
<inertia ixx="0.083" ixy="0" ixz="0" iyy="0.167" iyz="0" izz="0.217"/>
</inertial>
</link>
<!-- The Left Wheel -->
<link name="left_wheel">
<visual>
<geometry>
<!-- A cylinder for the wheel -->
<cylinder radius="0.1" length="0.05"/>
</geometry>
<material name="black">
<color rgba="0 0 0 1"/>
</material>
</visual>
</link>
<joint name="left_wheel_joint" type="continuous">
<parent link="base_link"/>
<child link="left_wheel"/>
<origin xyz="-0.15 0.225 -0.1" rpy="1.5708 0 0"/>
<axis xyz="0 0 1"/>
</joint>
<!-- The Right Wheel -->
<link name="right_wheel">
<visual>
<geometry>
<cylinder radius="0.1" length="0.05"/>
</geometry>
<material name="black">
<color rgba="0 0 0 1"/>
</material>
</visual>
</link>
<joint name="right_wheel_joint" type="continuous">
<parent link="base_link"/>
<child link="right_wheel"/>
<!-- Positioned toward the back (-0.15x) and right (-0.225y) -->
<origin xyz="-0.15 -0.225 -0.1" rpy="1.5708 0 0"/>
<axis xyz="0 0 1"/>
</joint>
<!-- The Lidar Sensor -->
<link name="lidar_link">
<visual>
<geometry>
<!-- A small cylinder for the sensor -->
<cylinder radius="0.05" length="0.04"/>
</geometry>
<material name="red">
<color rgba="1 0 0 1"/>
</material>
</visual>
</link>
<!-- The Fixed Joint for the Lidar -->
<joint name="lidar_joint" type="fixed">
<parent link="base_link"/>
<child link="lidar_link"/>
<!-- Positioned at the front (+0.2x) and on top (+0.12z) of the box -->
<origin xyz="0.2 0 0.12" rpy="0 0 0"/>
</joint>
<?xml version="1.0"?>
<robot name="roamer_bot">
<!-- The chassis of the robot -->
<link name="base_link">
<!-- Visual: What you see -->
<visual>
<geometry>
<!-- a box 0.6m long, 0.4m wide, and 0.2m high -->
<box size="0.6 0.4 0.2"/>
</geometry>
<material name="blue">
<color rgba="0 0 1 1"/>
</material>
</visual>
<!-- Collision: What the physics engine "feels" -->
<collision>
<geometry>
<box size="0.6 0.4 0.2"/>
</geometry>
</collision>
<!-- Inertial: How heavy it is and how it balances -->
<inertial>
<mass value="5.0"/>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
<inertia ixx="0.083" ixy="0" ixz="0" iyy="0.167" iyz="0" izz="0.217"/>
</inertial>
</link>
<!-- The Left Wheel -->
<link name="left_wheel">
<visual>
<geometry>
<!-- A cylinder for the wheel -->
<cylinder radius="0.1" length="0.05"/>
</geometry>
<material name="black">
<color rgba="0 0 0 1"/>
</material>
</visual>
</link>
<joint name="left_wheel_joint" type="continuous">
<parent link="base_link"/>
<child link="left_wheel"/>
<origin xyz="-0.15 0.225 -0.1" rpy="1.5708 0 0"/>
<axis xyz="0 0 1"/>
</joint>
<!-- The Right Wheel -->
<link name="right_wheel">
<visual>
<geometry>
<cylinder radius="0.1" length="0.05"/>
</geometry>
<material name="black">
<color rgba="0 0 0 1"/>
</material>
</visual>
</link>
<joint name="right_wheel_joint" type="continuous">
<parent link="base_link"/>
<child link="right_wheel"/>
<!-- Positioned toward the back (-0.15x) and right (-0.225y) -->
<origin xyz="-0.15 -0.225 -0.1" rpy="1.5708 0 0"/>
<axis xyz="0 0 1"/>
</joint>
<!-- The Lidar Sensor -->
<link name="lidar_link">
<visual>
<geometry>
<!-- A small cylinder for the sensor -->
<cylinder radius="0.05" length="0.04"/>
</geometry>
<material name="red">
<color rgba="1 0 0 1"/>
</material>
</visual>
</link>
<!-- The Fixed Joint for the Lidar -->
<joint name="lidar_joint" type="fixed">
<parent link="base_link"/>
<child link="lidar_link"/>
<!-- Positioned at the front (+0.2x) and on top (+0.12z) of the box -->
<origin xyz="0.2 0 0.12" rpy="0 0 0"/>
</joint>
</robot>
<gazebo reference="lidar_link">
<sensor type="ray" name="lidar_sensor">
<pose>0 0 0 0 0 0</pose>
<visualize>true</visualize>
<update_rate>10</update_rate>
<ray>
<scan>
<horizontal>
<samples>360</samples>
<resolution>1</resolution>
<min_angle>-3.14159</min_angle>
<max_angle>3.14159</max_angle>
</horizontal>
</scan>
<range>
<min>0.3</min>
<max>10.0</max>
</range>
</ray>
<plugin name="gazebo_ros_laser" filename="libgazebo_ros_ray_sensor.so">
<ros>
<remapping>~/out:=scan</remapping>
</ros>
<output_type>sensor_msgs/LaserScan</output_type>
<frame_name>lidar_link</frame_name>
</plugin>
</sensor>
</gazebo>
</robot>第七章：用于在 Gazebo 中生成机器人的 ROS2 启动文件
见证奇迹的时刻到了！看着我们编写的代码在三维世界中变成一个具备物理属性、可以移动的实体，是机器人开发中最有成就感的环节。
我们将这部分内容拆解为简单易懂的小模块，首先学习最重要的 ROS 节点：机器人状态发布器（robot_state_publisher）。
7.1 机器人状态发布器
要将漫游机器人（roamer_bot）导入 Gazebo，Gazebo 必须先知道机器人的模型结构。但我们不会直接把 URDF 文件传给 Gazebo ，而是将它交给 ROS2 的一个核心节点 ------robot_state_publisher。
robot_state_publisher 相当于机器人的信息播报员 。它读取 URDF 文件，并将完整的 XML 格式模型数据通过名为 /robot_description 的话题（topic）广播到整个 ROS 网络中。这样一来，Gazebo、RViz（可视化工具）和导航代码就可以同时读取完全一致的机器人模型。
7.2 启动文件框架
一个标准的 ROS2 Python 启动文件，核心是一个名为 generate_launch_description() 的主函数。在这个函数内部，我们定义需要运行的节点（Nodes，独立程序），最后以列表形式返回这些节点。
以下是在启动文件中启动节点的基础语法：
my_node = Node(
package='ros功能包名称',
executable='可执行程序名称',
parameters=[{'参数名称': 参数值}]
)7.3 下一任务
作业要求：
编写 spawn.launch.py 启动文件的第一版代码。
参考代码：
python
# spawn.launch.py
from launch import LaunchDescription
from launch_ros.actions import Node
def generate_launch_description():
# 1. 打开并读取我们的 URDF 文件
# 此处使用 'roamer_bot.urdf' 作为文件名
with open('roamer_bot.urdf', 'r') as file:
robot_desc_string = file.read()
# 2. 定义机器人状态发布器节点
# 该节点负责广播机器人的可视化与物理结构
rsp_node = Node(
package='robot_state_publisher',
executable='robot_state_publisher',
parameters=[{'robot_description': robot_desc_string}]
)
# 3. 将节点添加到启动描述中并返回
return LaunchDescription([
rsp_node
])7.4 在 Gazebo 中生成机器人
要将机器人真正导入物理仿真器，我们需要使用 Gazebo ROS 桥 提供的专用脚本：spawn_entity.py。
你可以把 spawn_entity.py 理解为一个传送器 。它连接到我们刚刚创建的 /robot_description 话题，获取 URDF 数据，并将机器人 "传送" 到 Gazebo 三维仿真环境中。
生成器节点语法
这是 gazebo_ros 功能包自带的 Python 脚本，我们将其作为标准节点运行，并传入指定的命令行参数。我们需要告知它两个关键信息：
- 从哪里获取机器人模型数据（话题名称）
- 在 Gazebo 中为机器人实体命名
节点定义格式如下：
spawn_node = Node(
package='gazebo_ros',
executable='spawn_entity.py',
arguments=['-topic', 'robot_description', '-entity', 'my_robot_name']
)7.5 下一任务
让我们把 "传送器" 添加到启动文件中，让漫游机器人正式进入仿真世界！
作业要求：
- 在你现有的
generate_launch_description()代码基础上修改 - 在
rsp_node下方，定义一个新节点spawn_node - 设置功能包为
gazebo_ros，可执行程序为spawn_entity.py - 添加参数列表，指定订阅
robot_description话题，并将机器人命名为roamer_bot - 关键步骤 ：务必将
spawn_node添加到底部的LaunchDescription([ ... ])列表中，确保节点可以运行
最终参考代码：
from launch import LaunchDescription
from launch_ros.actions import Node
def generate_launch_description():
# 1. 打开并读取 URDF 文件
with open('roamer_bot.urdf', 'r') as file:
robot_desc_string = file.read()
# 2. 定义机器人状态发布器节点
rsp_node = Node(
package='robot_state_publisher',
executable='robot_state_publisher',
parameters=[{'robot_description': robot_desc_string}]
)
# 3. 定义实体生成节点（传送器）
spawn_node = Node(
package='gazebo_ros',
executable='spawn_entity.py',
arguments=['-topic', 'robot_description', '-entity', 'roamer_bot'],
output='screen'
)
# 4. 将两个节点都添加到启动描述中并返回
return LaunchDescription([
rsp_node,
spawn_node
])终端 1（启动 Gazebo）
ROS2 Jazzy 版本默认使用 Gazebo Harmonic （新一代 Gazebo），它替代了 Humble / Foxy 等旧版本中使用的传统 gazebo_ros 功能包。我们需要先安装对应的依赖包：
sudo apt update
sudo apt install ros-jazzy-ros-gz安装完成后，使用以下命令启动 Gazebo：
ros2 launch ros_gz_sim gz_sim.launch.py
选择空场景（Empty world）（也可选用其他场景，例如 "仓库拖车机器人（Tugbot in Warehouse）"）。
点击界面右下角的 RUN（运行） 按钮。
重要提醒 ：Gazebo 主窗口弹出后，务必点击仿真器底部工具栏上的播放按钮 （橙白色三角形图标），以此启动物理时钟。
完成后，界面就会加载出如下空白场景。
**终端 2（生成你的机器人）：**执行命令：
ros2 launch spawn.launch.py此时，漫游机器人（roamer_bot）就会成功显示在仿真场景中。
修复「车轮消失」问题（关节状态桥接）
在新版 Gazebo 中，运动部件（车轮）的位置不会自动同步给 ROS。机器人看起来像一个实心方块，原因是 ROS 无法获知车轮关节在三维空间中的位置。
我们需要运行一个桥接节点，将关节状态从 Gazebo 回传给 ROS：
ros2 run ros_gz_bridge parameter_bridge /world/default/model/roamer_bot/joint_state@sensor_msgs/msg/JointState[gz.msgs.Model机器人状态发布器（robot_state_publisher）需要知晓每个连杆的位置。如果关节状态（joint_states）未被正确接收或映射到 URDF，所有运动部件会默认归位到机器人原点(0,0,0)，最终被 **「隐藏」在机身内部 **。
运行第二个桥接节点，确保三维位姿同步：
ros2 run ros_gz_bridge parameter_bridge /model/roamer_bot/pose@tf2_msgs/msg/TFMessage[gz.msgs.Pose_V问题根源
我们看不到车轮和激光雷达扫描光束的原因：当前 URDF 仍在使用旧版 Gazebo 插件 （libgazebo_ros_ray_sensor.so），该插件与 Gazebo Harmonic（ROS 2 Jazzy）不兼容 。在 Gazebo Harmonic 中，只有为所有运动部件定义惯性（inertial）和碰撞（collision）标签，物理效果与传感器才能正常工作。
1. 修复车轮问题（缺失物理属性）
在 Gazebo 仿真器中，如果一个连杆没有配置 <inertial>（惯性）或 <collision>（碰撞）标签，物理引擎会直接忽略该部件，或无法正常渲染。
请按如下格式更新车轮连杆：
<link name="left_wheel">
<visual>
<geometry><cylinder radius="0.1" length="0.05"/></geometry>
<material name="black"><color rgba="0 0 0 1"/></material>
</visual>
<!-- 为左右两个车轮都添加以下两个标签 -->
<collision>
<geometry><cylinder radius="0.1" length="0.05"/></geometry>
</collision>
<inertial>
<mass value="0.5"/>
<inertia ixx="0.00135" ixy="0" ixz="0" iyy="0.00135" iyz="0" izz="0.0025"/>
</inertial>
</link>2. 添加核心「系统插件」
要让车轮正常转动、传感器正常输出数据，必须在 <robot> 标签内部添加这些插件（推荐放在文件最底部）：
<gazebo>
<!-- 车轮差速驱动物理插件 -->
<plugin filename="gz-sim-diff-drive-system" name="gz::sim::systems::DiffDrive">
<left_joint>left_wheel_joint</left_joint>
<right_joint>right_wheel_joint</right_joint>
<wheel_separation>0.45</wheel_separation>
<wheel_radius>0.1</wheel_radius>
</plugin>
<!-- 向ROS回传关节位置 -->
<plugin filename="gz-sim-joint-state-publisher-system" name="gz::sim::systems::JointStatePublisher"/>
<!-- 激光雷达传感器驱动 -->
<plugin filename="gz-sim-sensors-system" name="gz::sim::systems::Sensors">
<render_engine>ogre2</render_engine>
</plugin>
</gazebo>以上配置即可修复车轮消失问题。
修复激光雷达（Harmonic 版本语法）
gazebo_ros_laser 插件在 ROS 2 Jazzy 版本中无法使用。我们必须使用 <gz_frame_id> 标签和 Gazebo 内置的传感器系统。
将你整个 <gazebo reference="lidar_link"> 代码块替换为以下内容：
<gazebo reference="lidar_link">
<sensor name="gpu_lidar" type="gpu_lidar">
<pose>0 0 0 0 0 0</pose>
<visualize>true</visualize>
<update_rate>10</update_rate>
<lidar>
<scan>
<horizontal>
<samples>360</samples>
<min_angle>-3.14159</min_angle>
<max_angle>3.14159</max_angle>
</horizontal>
</scan>
<range>
<min>0.3</min>
<max>10.0</max>
</range>
</lidar>
<gz_frame_id>lidar_link</gz_frame_id> <!-- ROS 2 Jazzy 必需配置 -->
</sensor>
</gazebo>运行以下桥接命令，即可在 ROS 中查看激光雷达数据：
ros2 run ros_gz_bridge parameter_bridge /scan@sensor_msgs/msg/LaserScan[gz.msgs.LaserScan