使用机器人操作系统ROS 2和仿真软件Gazebo 9搭建机器人教程(一)

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2020年5月12日 11时00分

本文为使用ROS 2和Gazebo9搭建仿真机器人详细指南。

 

使用机器人操作系统ROS 2和仿真软件Gazebo 9搭建机器人教程(一)插图

 

确保已按如下说明安装ROS和Gazebo:

 

ROS 2安装:https://index.ros.org/doc/ros2/Installation/Eloquent/。 二进制软件包的安装足以满足该项目的需求,但是如果感兴趣,还可以选择从源代码搭建。Dashing或Eloquent均可。

 

Gazebo安装:http://gazebosim.org/tutorials?cat=install。推荐9+以上版本。

 

尽管此项目基于Ubuntu 18.04说明,但如果是其他安装了ROS 2和Gazebo 9的系统,这些说明同样适用,比如Windows 10、Mac OS等,同时通过学习和实践,将会了解到它们的API、命令和过程大致相同。

 

本文假定已经具备以下基础:

  • 具有C++和Python编程基础知识的开发人员,或者
  •  已经知道ROS 1并期望转移到ROS 2开发,可以直接查看下面的机器人部分内容。

 

目录

 

  • 介绍
  •  基础
  1.             机器人
  2.             ROS
  3.             Gazebo
  • 机器人
  • 设置

 

介绍

 

怎么学习机器人技术呢?

 

在搭建实际的机器人之前,可能需要先使用模拟器来测试新想法。对模拟机器人满意之后,就可以继续搭建实际的机器人了。

 

ROS提供了搭建机器人各种组件并在它们之间建立安全通信的框架,Gazebo提供了仿真工具,可以使用实际场景测试算法和机器人设计。

 

本文能学到什么?

 

学习如何将ROS2和Gazebo9组合在一起,创建具有四轮(差动模型)、摄像头和激光扫描传感器的机器人,并在模拟的环境中测试其操作。

 

先熟悉一些基本概念。

 

基础

 

机器人

 

无论要搭建哪种类型的机器人,机器人都需要执行感知、决策和行动的三个步骤,属于输入-控制-输出这类结构。

 

  • 感知

就像我们人类通过眼睛、耳朵、鼻子和触摸感知或感知周围的环境一样,机器人使用一个或多个传感器感知周围的环境。可能已经知道的一些传感器如雷达、激光扫描、照相机、激光雷达、温度传感器、声纳、化学检测传感器等。

 

  • 决策

根据来自传感器的输入和机器人的当前状态,机器人可以执行一些决策。决策可以简单地回答是或否的天气问题,也可以简单地在不同星球上未知地形的路径上行驶。

 

  • 行动

机器人可以根据使用输入做出的决定执行各种动作。例如,从一个地方移动到另一个地方,移动机器人手臂等各种部件,将消息发送到另一机器人,加快、减速、停止等。

 

本文中将了解ROS2如何提供执行这三个基本过程的框架。

 

ROS

 

机器人操作系统不是如Linux或Windows那样的操作系统,而是一个位于操作系统之上的框架,可为开发和运行机器人的各种组件提供便利。

 

就像Microsoft基础类(MFC)是用于Windows中C++开发和运行桌面应用程序的框架一样,ASP.Net也是用于开发和运行网站的框架。同样,ROS是一个框架,并提供使用C++和Python等开发和运行机器人的工具和库。

 

ROS 2是ROS 1的下一个版本。大多数概念在ROS 2中仍然相同,与ROS 1保持一致,但是各个组件之间的设计和通信有了显着改进。ROS 2使用DDS:https://index.ros.org/doc/ros2/Concepts/DDS-and-ROS-middleware-implementations/。

 

学习ROS 1会有所帮助,但不是必需的。

 

Gazebo

 

Gazebo是ROS使用最广泛的模拟器。在线上有许多非常好的教程。如下是一些入门指南。

 

  • 教程:http://gazebosim.org/tutorials
  • ROS:https://subscription.packtpub.com/book/hardware_and_creative/9781783554713/1/ch01lvl1sec11/simulators-of-ros

 

假设现在已经熟悉ROS和Gazebo,那么将它们融合应用。

 

机器人

 

目标是根据从传感器收集的输入执行一些操作(驱动机器人)。将按照以下步骤进行操作。

 

1 在Gazebo模拟器中搭建简单的室内环境(请参见下图)

 

2 搭建机器人(mobot)

 

  • 底盘(蓝色)
  • 4个轮子(灰色)
  • 相机(红色)
  • 激光雷达(黑色)

 

3 编写C++节点处理相机和激光雷达扫描输入

 

4 编写C++节点将命令发送到轮子以驱动机器人

 

使用机器人操作系统ROS 2和仿真软件Gazebo 9搭建机器人教程(一)插图(1)

机器人

 

使用机器人操作系统ROS 2和仿真软件Gazebo 9搭建机器人教程(一)插图(2)

世界环境 (室内)

 

设置

 

具体步骤如下。

 

打开一个新的终端并更新ROS 2安装配置,这样ROS2命令可以使用。

relaybot@TPS2:~$ source /opt/ros/dashing/setup.bash

relaybot@TPS2:~$ echo $ROS_DISTRO

dashing

 

创建工作区

relaybot@TPS2:~$ mkdir -p mobot/src

relaybot@TPS2:~$ cd mobot/src/

 

1.在Gazebo模拟器中搭建室内环境

 

创建mobot包

relaybot@TPS2:~/mobot/src$ ros2 pkg create –build-type ament_cmake mobot

going to create a new package

package name: mobot

destination directory: /home/relaybot/mobot/src

package format: 3

version: 0.0.0

description: TODO: Package description

maintainer: [‘relaybot <zhangrelay@sohu.com>’]

licenses: [‘TODO: License declaration’]

build type: ament_cmake

dependencies: []

creating folder ./mobot

creating ./mobot/package.xml

creating source and include folder

creating folder ./mobot/src

creating folder ./mobot/include/mobot

creating ./mobot/CMakeLists.txt

relaybot@TPS2:~/mobot/src$ cd mobot/

relaybot@TPS2:~/mobot/src/mobot$

 

为室内环境的world文件新建文件夹:

relaybot@TPS2:~/mobot/src/mobot$ mkdir worlds

relaybot@TPS2:~/mobot/src/mobot$ cd worlds/

relaybot@TPS2:~/mobot/src/mobot/worlds$ gedit mobot_room.world    

 

Gazebo中的世界文件包含模拟环境中的所有对象。这些对象是机器人模型、环境、照明、传感器和其他对象等。

 

Gazebo使用SDF:http://sdformat.org/ xml文件格式来保存模拟配置。世界文件通常具有.world扩展名。

 

mobot_room.world代码(补充):

 

此时,运行如下命令在Gazebo中启动世界环境:

relaybot@TPS2:~/mobot/src/mobot/worlds$ gazebo mobot_room.world

 

另外,可以按照以下教程创建自定义世界环境。

 

 

请确保在世界环境的文件保存为mobot_room.world在mobot/src/mobot/worlds文件中。

 

2.搭建机器人

 

现在,已熟悉用来描述仿真对象的SDF文件。ROS使用通用机器人描述格式(URDF)对机器人进行建模,该机器人在xml中描述了各种动态和运动学特性。可以点击此处了解更多信息:https://industrial-training-master.readthedocs.io/en/melodic/_source/session3/Intro-to-URDF.html简单的URDF如下:

 

<?xml version="1.0"?>
 
<robot name="two_link_robot">
 
  <!--Links-->
 
 
 
  <link name="link_1">
 
    <visual>
 
      <geometry>
 
        <cylinder length="0.5" radius="0.2"/>
 
      </geometry>
 
    </visual>
 
  </link>
 
 
 
  <link name="link_2">
 
    <visual>
 
      <geometry>
 
        <box size="0.6 0.1 0.2"/>
 
      </geometry>
 
    </visual>
 
  </link>
 
 
 
  <!--Joints-->
 
  <joint name="joint_1" type="continuous">
 
    <parent link="link_1"/>
 
    <child link="link_2"/>
 
  </joint>
 
</robot>

 

在URDF中定义各种机器人元素时,功能很丰富。为了单独管理各种xacro组件并重用它们,ROS提供了一个名为(XML Macro)的程序包,可以将不同的URDF文件组合到一个文件中。它还提供了模板工具来定义这些文件中的变量。使用.xacro扩展名保存这些文件。可以点击此处了解有关XACRO的更多信息:http://wiki.ros.org/xacro。

 

创建两个xacro文件,一个用于描述机器人,另一个用于描述在下面简要说明的Gazebo插件,用于在仿真中进行交互。

 

为使Gazebo插件正常工作,请确保已安装以下ROS 2软件包。

gazebo_dev

gazebo_msgs

gazebo_plugins

gazebo_ros

gazebo_ros_pkgs

 

可以通过运行以下命令进行检查:

 

   $ ros2 pkg list

 

与Gazebo接口的ROS 2软件包集包含在名为gazebo_ros_pkgs的元软件包中。

 

注意:所有ROS功能包都使用如下形式ros-<distro>-<package-name>,ros-发行版-功能包名

 

3.Gazebo插件

 

插件是一段代码,被编译为共享库并插入到仿真中。该插件可通过标准C++类直接访问Gazebo的所有功能。

 

插件很有用,因为它们具有如下功能:

 

  • 让开发人员控制Gazebo的几乎任何方面
  •  是易于共享的独立例程
  •  可以从正在运行的系统中插入和删除

 

可以点击此处了解有关插件的更多信息

 

除了使用自定义插件,也可以使用gazebo_ros_pkgs提供的现有插件。具体使用如下:

 

滑行转向差动驱动控制器可实现移动机器人控制,由libgazebo_ros_diff_drive.so提供,详情请点击此处

 

相机控制器可读取相机在模拟中捕获的图像,由libgazebo_ros_camera.so提供,点击此处有更多详细信息

 

激光雷达控制器从读取激光扫描仪中的点云数据,由libgazebo_ros_ray_sensor.so提供,点击此处有更多详细信息

 

在/opt/ros/dashing/lib目录中找到这些库。

 

在mobot.gazebo文件中定义这些控制器所需的各种属性。

 

为urdf文件创建目录。

   $ cd ~/mobot/src/mobot

   $ mkdir urdf

   $ cd urdf

   $ gedit mobot.gazebo

 

将以下代码粘贴到mobot.gazebo文件

 

mobot.gazebo代码补充:

 

mobot模型-ROS2Gazebo9附2

 

现在,在mobot.urdf.xacro文件中定义机器人描述。

   $ cd urdf

   $ gedit mobot.urdf.xacro

 

将以下代码粘贴到mobot.urdf.xacro文件。

 

mobot.urdf.xacro代码补充:

mobot模型-ROS2Gazebo9附2​​​​​​​

 

Xacro代码说明:

 

使用机器人操作系统ROS 2和仿真软件Gazebo 9搭建机器人教程(一)插图(3)

 

在mobot.urdf.xacro文件中

 

  • 创建链接robot_footprint,chassis,front_left_wheel,front_right_wheel,back_left_wheel,back_right_wheel,camera和hokuyo激光传感器
  • 通过指定以下关节将它们连接在一起,robot_footprint_joint连接chassis和robot_footprint。轮子通过front_left_wheel_joint连接到chassis,front_right_wheel_joint,back_left_wheel_joint,back_right_wheel_joint。camera和hokuyo分别由camera_joint与hokuyo_joint连接到chassis
  • 通过xacro使用行引用的文件中,<xacro:include filename=”mobot.gazebo”/>导入了mobot.gazebo文件,在其中指定了插件的配置。
  • 指定libgazebo_ros_diff_drive.so控制器配置机器人运动,它们的轮距和直径,扭矩产生的时间和频率发布等,里程计通过/odom更新。还指定/cmd_vel订阅速度命令的主题。
  •  同样,对于libgazebo_ros_camera.so插件配置,指定了相机属性,并重新映射了由插件发布的原始主题,发布RGB图像,发布/mobot/camera/image,相机的信息发布/mobot/camera/image/camera_info。
  •  配置libgazebo_ros_ray_sensor.so为使用hokuyo激光传感器发布数据/mobot/scan。如果未指定名称空间,<namespace>/mobot</namespace>则数据将在/scan主题中发布。以上插件都是如此。

 

此时,~\mobot_ws\src\mobot目录应如下所示:

relaybot@TPS2:~/mobot/src/mobot$ tree

.

├── CMakeLists.txt

├── include

│   └── mobot

├── package.xml

├── src

├── urdf

│   ├── mobot.gazebo

│   └── mobot.urdf.xacro

└── worlds

     └── mobot_room.world

5 directories, 5 files

 

 

在colcon编译过程中调用xacro

 

需要配置编译过程调用xacro工具,从mobot.urdf.xacro和mobot.gazebo文件生成urdf文件。为此,需要编辑CMakeLists.txt文件以指定依赖项。

 

# Generate .urdf files from .urdf.xacro files
# 从.urdf.xacro文件生成.urdf文件
find_package(xacro REQUIRED)
# Xacro files Xacro文件
file(GLOB xacro_files urdf/*.urdf.xacro)
 
foreach(it ${xacro_files})
  # remove .xacro extension 删除.xacro扩展
  string(REGEX MATCH "(.*)[.]xacro$" unused ${it})
  set(output_filename ${CMAKE_MATCH_1})
 
  # create a rule to generate ${output_filename} from {it} 从{it}创建一条${output_filename}规则
 
  xacro_add_xacro_file(${it} ${output_filename})
 
  list(APPEND urdf_files ${output_filename})
endforeach(it)
 
# add an abstract target to actually trigger the builds 添加一个抽象目标实际触发编译
add_custom_target(media_files ALL DEPENDS ${urdf_files})

 

此外,需要配置编译过程安装urdf、worlds和meshes目录到install文件夹中。因为所有的软件包都将有ROS环境中的安装目录提供,所以在编译软件包时创建该目录。在CMakeLists.txt中添加以下。

 

install(DIRECTORY worlds  
  DESTINATION share/${PROJECT_NAME})
 
install(DIRECTORY urdf
  DESTINATION share/${PROJECT_NAME})
 
#install(DIRECTORY meshes
#  DESTINATION share/${PROJECT_NAME})

 

可以从下面复制整个CMakeLists.txt

 

CMakeLists.txt代码补充:

 

 CMakeLists部分-ROS2Gazebo9附3

 

此时,可以编译程序包啦!开启新终端,请确保更新为ros环境。

$ source /opt/ros/dashing/setup.bash

$ cd ~/mobot

$ colcon build

Starting >>> mobot

Finished <<< mobot [1.08s]                    

Summary: 1 package finished [1.15s]

$

 

 

配置mobot.urdf文件urdf在编译后在目录中生成。

 

要在Gazebo中看到机器人,需要创建启动(launch)文件夹和启动文件。可以在此处了解ROS 2中的启动系统。

$ cd ~/mobot/src/mobot

$ mkdir launch

$ cd launch

$ gedit world.launch.py

 

在启动文件中,将做两件事。

  • 使用预定义的设置和启动Gazebo mobot_room.world
  • 调用gazebo提供的spawn_entity服务以生成mobot.urdf在世界上定义的机器人。

 

将以下代码粘贴到world.launch.py中。

 

world.launch.py代码补充:

 

world.launch.py部分-ROS2Gazebo9附4

 

在CMakeLists.txt添加以下代码实现编译后安装到启动文件夹。

install(DIRECTORY launch
 
  DESTINATION share/${PROJECT_NAME})

 

此部分已经在附3中,添加完成了。

 

最终~\mobot\src目录结构应如下所示:

relaybot@TPS2:~/mobot/src/mobot$ tree

.

├── CMakeLists.txt

├── include

│   └── mobot

├── launch

│   └── world.launch.py

├── package.xml

├── src

├── urdf

│   ├── mobot.gazebo

│   ├── mobot.urdf

│   └── mobot.urdf.xacro

└── worlds

   └── mobot_room.world

 

编译并启动:

$ cd ~/mobot

$ colcon build

 

在启动mobot之前,必须更新bash文件。mobot工作区bash文件将程序包mobot添加到现有ros环境中,使它可使用各种ros2命令,就像其他ros程序包一样。

$ source install/setup.bash

$ ros2 launch mobot world.launch.py

 

注意:可以使用Tab键完成补全所有ros2命令,在键入ros2后,按Tab键查看可用选项。

 

应该看到如下图所示的机器人和世界环境。恭喜!此时已经成功在ROS2和Gazebo9搭建了第一个仿真机器人。下一节将学习ROS2各种命令。

 

使用机器人操作系统ROS 2和仿真软件Gazebo 9搭建机器人教程(一)插图(4)

 

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评论列表(4条)

  • chch2010523 2020年9月18日 下午1:27

    deb方式安装好了ros2 foxy,按照您的教程一步步来,编译时提示没有xacro包,请问张老师这个怎么解决?ros2的各版本安装目录下好像都没有xacro文件夹,请问这是怎么回事啊?

    • SERENO 回复 chch2010523 2020年9月18日 下午5:13

      同问,我也遇到了一样的问题。在build 包时报错 could not find a package configuration file provided by “xacro ” with any of the following names: xacroConfig.cmake xacro-config.cmake. 我是在老师提供的镜像平台操作的, 不知道怎么解决

    • 9c07f_0095 回复 SERENO 2020年9月21日 上午10:11

      可以选择二进制安装:sudo apt install ros2--xacro

  • 爱吃冰淇淋 2020年5月30日 下午9:21

    好像没有找到 ros2 dashing 和Gazebo11相应的gazebo_ros_pkgs。 有下载安装的链接或在教程吗?