Webots搭建麦克纳姆轮底盘教程

ubuntu版本：20.04
webots版本：2021a
ros版本：noetic

0.前言

之前笔者出过ROS联合webots开发教程，在教程中使用的是双轮差动底盘模型，今天笔者将带给笔者麦克纳姆轮的使用教程。

1.模型选取

在Webots中，官方提供了kuka公司推出的youbot机器人作为麦克纳姆轮的案例

  • 实物机器人如下所示：

  • 仿真机器人如下所示：

2.youbot底盘

由上面的两张图可以看到youbot的底盘是麦克纳姆轮底盘，麦克纳姆轮也简称麦轮，与普通的轮子不同，麦轮除了提供前后方向的移动，还能提供左右方向的移动。
麦轮分为两种（A轮和B轮），A轮会产生轴向向左，垂直轴向向前的速度分量，如下图所示：

B轮会产生轴向向右，垂直轴向向后的速度分量，下图所示。

youbot机器人底盘上的麦克纳姆轮为A-B-A-B配置，如下图所示：

3.Webots仿真中的WorldInfo节点

WorldInfo的参数介绍如下所示：

WorldInfo {
  SFString title                          ""         # 给世界取个好听的名字吧
  MFString info                           [ ]        # 介绍世界的信息参数
  SFFloat  gravity                        9.81       # 设置地球引力大小参数
  SFFloat  CFM                            0.00001    # 用于管理接触关节的约束力参数
  SFFloat  ERP                            0.2        # 用于管理接触关节的错误减少参数
  SFString physics                        ""         # 允许用户使用ODE API 编程自定义物理效果的物理插件
  SFFloat  basicTimeStep                  32         # Webots执行的模拟步骤的持续时间
  SFFloat  FPS                            60         # 每秒传输帧数
  SFInt32  optimalThreadCount             1          # 用于计算世界物理的实际线程数
  SFFloat  physicsDisableTime             1          # 物理禁用时间
  SFFloat  physicsDisableLinearThreshold  0.01       # 物理禁用线性阈值
  SFFloat  physicsDisableAngularThreshold 0.01       # 物理禁用角度阈值
  SFNode   defaultDamping                 NULL       # 默认阻尼
  SFFloat  inkEvaporation                 0          # 字段设置为非空值，则地面纹理的颜色将慢慢变为白色。
  SFString coordinateSystem               "ENU"      # 坐标系
  SFString gpsCoordinateSystem            "local"    # GPS坐标系
  SFVec3f  gpsReference                   0 0 0      # GPS参数
  SFFloat  lineScale                      0.1        # 线标尺
  SFInt32  randomSeed                     0          # 随机种子
  MFNode   contactProperties              []         # 允许指定多个 ContactProperties 节点，这些节点定义 Solid 节点碰撞时的行为。
}

4.通过修改worldInfo实现麦克纳姆轮底盘运动

  1. 添加两个ContactProperties节点，通过此节点可以定义Solid节点碰撞时的行为，如下图所示:

    ContactProperties节点参数介绍： 
    ContactProperties {
SFString material1          "default"            # 指定接触材料1，Solid的碰撞节点名
SFString material2          "default"            # 指定接触材料2，Solid的碰撞节点名
MFFloat  coulombFriction    1                    # 库仑摩擦系数，0 导致无摩擦接触，无穷大导致接触永不滑动
SFVec2f  frictionRotation   0 0                  # 允许用户旋转非对称的情况下使用的摩擦方向
SFFloat  bounce             0.5                  # 恢复系数,表示撞击前后的速度比
SFFloat  bounceVelocity     0.01                 # 弹跳速度
MFFloat  forceDependentSlip 0                    # 摩擦的滑移
SFFloat  softERP            0.2                  # 管理局部接触关节的错误减少参数
SFFloat  softCFM            0.001                # 管理局部接触关节的软约束力混合
SFString bumpSound          "sounds/bump.wav"    # any string
SFString rollSound          "sounds/roll.waw"    # any string
SFString SlideSound         "sounds/slide.wav"   # any string
}
  2. 第一个ContactProperties节点如下图所示：

    第二个ContactProperties节点如下图所示：

    主要修改material1；coulombFriction;frictionRotation;bounce和forceDependentSlip参数。
  • material1字段在麦克纳姆轮实体的节点下已经定义，如下图所示：

    大家可以尝试着修改成ExteriorWheelMat试试，可以发现机器人横向移动时会随即带着旋转的姿态，因为这时这个轮子的frictionRotation摩擦方向正好是同向，有一个同向的力导致机器人旋转。
  • coulombFriction字段可以设置4个参数。只有一个参数时摩擦是对称的；两个参数时摩擦是不对称的；三个参数时对material1使用不对称系数，对于material2使用对称系数；四个参数时对material1和material2都使用不对称系数。此时我们设置了3个参数，说明对material1是不对称系数，对material2是对称系数。
  • frictionRotation字段中，第一节点设置成-0.965，第二节点设置成0.965
  • bounce字段设置成0，对象会有效的停止在和他碰撞的表面，不会弹跳。
  • forceDependentSlip字段可以设置4个参数。使用一个参数，则该系数适用于两个方向；两个参数时力相关滑移是不对称的，对两个material使用相同的系数；三个参数时对material1使用不对称系数，对于material2使用对称系数；四个参数时对material1和material2都使用不对称系数。
    通过使用上面的节点配置，可以实现麦克纳姆轮的运动方式

    效果

    结语

    本文也是基于笔者的学习和使用经验总结的，主观性较强，如果有哪些不对的地方或者不明白的地方，欢迎评论区留言交流~

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开源项目mecanum_robotsim正在更新中～～
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