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

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2020年9月17日 10时52分

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:,声明质量;,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:

在这里插入图片描述

 

立方体:

在这里插入图片描述

 

<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

 

在这里插入图片描述

查看摄像头的图

rqt_image_view

 

这里如图选择

在这里插入图片描述

 

在这里插入图片描述

从gazebo左侧拖一个书柜进来看看

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

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。

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