第四章、手撸阿克曼小车URDF代码

01前言

上节说到通过twist消息控制从solidworks导出的阿克曼小⻋，但后续的开发⼯作中发现了从SW导出的模型做仿真有⼀些弊端，导致仿真的效果并不理想，所以博主准备⼿写⼀个urdf代码，并通过模型替代法来实现tianracer的仿真，本次写的urdf⽂件是基于tianracer小⻋1：1⽐例来编写的，⽅便后续的模型替换⼯作。

02创建小车功能包

在⼯作空间内创建racebot_description功能包：
catkin_create_pkg racebot_description roscpp rospy std_msgs

在该⼯作空间下创建config、launch、rviz_config、scripts、urdf等⽂件夹，此时准备⼯作已经做完。

03配置创建环境

我们需要创建⼀个URDF⽂件与能让模型在rviz中显⽰的launch⽂件，⽅便我们创造模型。以创建小⻋base_link模型为例：

在urdf⽂件夹中创建racebot.urdf⽂件，⾸先创建base_link，由于根link不能包含碰撞属性，否则gazebo仿真中会报错，所以我们将base_footprint作为根link，并且将base_footprint设置为小⻋贴到地⾯的位置，由于该小⻋是1:1仿真tianracer的，所以base_link在base_footprint正上⽅32mm处，如下代码所⽰：

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<robot name="racebot">
    <link name="base_footprint">
    </link>
    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.28 0.1 0.03"/>        
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="yellow">
                <color rgba="0.8 0.3 0.1 0.5" />
            </material>
        </visual>
        <collision>
            <geometry>
                <box size="0.28 0.1 0.03" />
            </geometry>
            <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" />
        </collision>
    </link>
    <joint name="base_link_joint" type="fixed">
        <parent link="base_footprint" />
        <child link="base_link"/>
        <origin xyz="0 0 0.032" rpy="0 0 0" />
    </joint>
</robot>

接着在launch⽂件夹中创建⼀个可以将小⻋模型在rviz中显⽰的launch⽂件racebot_rviz.launch，并且能够加载上述urdf⽂件：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<launch>
    <!-- 将 urdf 文件内容设置进参数服务器 -->
    <param name="robot_description" textfile="$(find racebot_description)/urdf/racebot.urdf" />
    <!-- 启动 rivz -->
    <!-- <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz_test" args="-d $(find racebot_description)/config/racebot.rviz" /> -->
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="" /> 
    <!-- 启动机器人状态和关节状态发布节点 -->
    <node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" />
    <node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher" />
    <!-- 启动图形化的控制关节运动节点 -->
    <node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" />
</launch>

此时我们运⾏该launch⽂件：

roslaunch racebot_description racebot_rviz.launch

添加RobotModel插件，并将fixed frame改为base_footprint，此时我们便能在rviz中看到⼀个漂浮在空中的橙⾊⽅块，此为小⻋模型的base_link:

点击FILE--save config as选择racebot_description/rviz_config路径保存为racecar.rviz，并在launch中启动rviz节点时加载该配置⽂件，以便后续的开发。

04添加前轮摆转以及前后轮

·添加左前轮以及左前轮摆转

在阿克曼仿真第⼀节的时候了解到要使前轮转向，以左前轮为例，需要给左前轮加⼀个绕Z轴转动的⾃由度，因此需要添加⼀个能够摆转的link，将其命名为steering_hinge，前轮通过与其连接能够实现绕Z轴转动，joint_type设置为revolute，转动幅度设置为-0.6rad--0.6rad，effort与velocity分别设置为50，1000以⽅便后续控制。

<link name="left_steering_hinge">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.01" length="0.005" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="1.57 0 0" />
            <material name="black">
                <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
            </material>
        </visual>
        <collision>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.01" length="0.005" />
            </geometry>
            <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="1.57 0.0 0.0" />
        </collision>
        <inertial>
            <origin xyz="0 0 0" />
            <mass value="0.5" />
            <inertia ixx="1.35E-05" ixy="0" ixz="0" iyy="1.35E-05" iyz="0" izz="2.5E-05" />
        </inertial>
    </link>
    <joint name="left_steering_hinge_joint" type="revolute">
        <parent link="base_link" />
        <child link="left_steering_hinge" />
        <origin xyz="0.13 0.065 0" />
        <axis xyz="0 0 1" />
        <limit lower="-0.6" upper="0.6" effort="5.0" velocity="1000.0"/>
    </joint>
    <link name="left_front_wheel">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.033" length="0.02" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="1.57 0 0" />
            <material name="black">
                <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
            </material>
        </visual>
        <collision>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.032" length="0.02" />
            </geometry>
            <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="1.57 0.0 0.0" />
        </collision>
        <inertial>
            <origin xyz="0 0 0" />
            <mass value="2.0" />
            <inertia ixx="6.64E-04" ixy="0" ixz="0" iyy="6.64E-04" iyz="0" izz="1.02E-03" />
        </inertial>
    </link>    
    <joint name="left_front_wheel_joint" type="continuous">
        <parent link="left_steering_hinge" />
        <child link="left_front_wheel" />
        <origin xyz="0 0.025 0" />
        <axis xyz="0 1 0" />
        <limit effort="10" velocity="1000" />
    </joint>

左前轮配置好了以后，右前轮同理，值得注意的是需要修改joint标签内的origin标签，可以⼤致理解为左前轮在第⼀象限，右前轮为第四象限，X轴正⽅向为小⻋的前进⽅向。在配置URDF的时候，若仅仅是想要在RVIZ中观察编写的模型情况，可以在link标签中，先不需要编写collision标签，编写collision时需要计算该link的惯性矩阵参数，会较为繁琐，可以在确定模型装配情况后最后编写collision标签。计算惯性矩阵的⽅法如下：

【关于URDF中的惯性矩阵描述问题】

·配置后轮

前轮配置完成后，配置后轮，以左后轮为例，代码如下，右后轮同理：

<link name="left_rear_wheel">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.032" length="0.02" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="1.57 0 0" />
            <material name="black">
                <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
            </material>
        </visual>
        <collision>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.032" length="0.02" />
            </geometry>
            <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="1.57 0.0 0.0" />
        </collision>
        <inertial>
            <origin xyz="0 0 0" />
            <mass value="2.0" />
            <inertia ixx="6.64E-04" ixy="0" ixz="0" iyy="6.64E-04" iyz="0" izz="1.02E-03" />
        </inertial>
    </link>

    <joint name="left_rear_wheel_joint" type="continuous">
        <parent link="base_link" />
        <child link="left_rear_wheel" />
        <origin xyz="-0.13 0.09 0" />
        <axis xyz="0 1 0" />
        <limit effort="10" velocity="1000" />
    </joint>

05配置传感器

tianracer小⻋共有三样传感器，分别为单⽬相机，深度相机以及激光雷达，当然可以加⼊imu模块以作后备，这些link的装配都是相对固定的，因此惯性参数对其⽆太⼤影响，可以取⼀个⼤致值：

·配置单目相机：

<link name="camera">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.005 0.03 0.03"/>
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="black">
                <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
            </material>
        </visual>
        <collision>
            <geometry>
                <box size="0.005 0.03 0.03"/>
            </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="0.05" />
            <inertia ixx="6.64E-04" ixy="0" ixz="0" iyy="6.64E-04" iyz="0" izz="1.02E-03" />
        </inertial>
    </link>

    <joint name="camera_joint" type="fixed">
        <parent link="base_link" />
        <child link="camera" />
        <origin xyz="0.14851 0.0022137 0.0975" />
        <axis xyz="0 0 1" />
    </joint>

·配置深度相机：

<link name="real_sense">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.01 0.1 0.02"/>
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="black">
                <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
            </material>
        </visual>
        <collision>
            <geometry>
                <box size="0.01 0.1 0.02"/>
            </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="0.05" />
            <inertia ixx="6.64E-04" ixy="0" ixz="0" iyy="6.64E-04" iyz="0" izz="1.02E-03" />
        </inertial>
    </link>

    <joint name="realsense_joint" type="fixed">
        <parent link="base_link" />
        <child link="real_sense" />
        <origin xyz="0.19864 0.0038046 0.052021" />
        <axis xyz="0 0 1" />
    </joint>

·配置单线激光雷达：

<link name="lidar">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.03" length="0.06" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="black">
                <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
            </material>
        </visual>
        <collision>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.03" length="0.06" />
            </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="0.1" />
            <inertia ixx="6.64E-04" ixy="0" ixz="0" iyy="6.64E-04" iyz="0" izz="1.02E-03" />
        </inertial>
    </link>

    <joint name="lidar_joint" type="fixed">
        <parent link="base_link" />
        <child link="lidar" />
        <origin xyz="0.093603 0 0.12377" />
        <axis xyz="0 0 1" />
    </joint>

·配置imu模块：

<link name="imu">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.01 0.01 0.005"/>
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="black">
                <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
            </material>
        </visual>
        <collision>
            <geometry>
                <box size="0.01 0.01 0.005"/>
            </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="0.05" />
            <inertia ixx="6.64E-04" ixy="0" ixz="0" iyy="6.64E-04" iyz="0" izz="1.02E-03" />
        </inertial>
    </link>

    <joint name="imu_joint" type="fixed">
        <parent link="base_link" />
        <child link="imu" />
        <origin xyz="0 0 0.02" />
        <axis xyz="0 0 1" />
    </joint>

此时，小⻋URDF已经配置完成了，可以在rviz中观察模型效果：

06小结

⾄此，已经将小⻋的URDF代码书写完毕，下⼀节将URDF优化为xacro，并加⼊传感器插件，以及小⻋轮⼦的传动。

参考资料:

1.古⽉⽼师的<<ROS机器⼈开发实践>>

2.关于URDF中的惯性矩阵描述问题: https://blog.csdn.net/weixin_43455581/article/details/110876633