ROS--URDF集成Gazebo仿真小车和rviz结合

ROS–URDF集成Gazebo仿真小车
实现流程:

需要编写封装惯性矩阵算法的 xacro 文件为机器人模型中的每一个 link 添加 collision 和 inertial 标签，并且重置颜色属性在 launch 文件中启动 gazebo 并添加机器人模型

工作目录

1.编写封装惯性矩阵算法的 head.xacro 文件

<robot name="base" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro"><!-- Macro for inertia matrix --><xacro:macro name="sphere_inertial_matrix" params="m r"><inertial><mass value="${m}" /><inertia ixx="${2*m*r*r/5}" ixy="0" ixz="0"iyy="${2*m*r*r/5}" iyz="0" izz="${2*m*r*r/5}" /></inertial></xacro:macro><xacro:macro name="cylinder_inertial_matrix" params="m r h"><inertial><mass value="${m}" /><inertia ixx="${m*(3*r*r+h*h)/12}" ixy = "0" ixz = "0"iyy="${m*(3*r*r+h*h)/12}" iyz = "0"izz="${m*r*r/2}" /> </inertial></xacro:macro><xacro:macro name="Box_inertial_matrix" params="m l w h"><inertial><mass value="${m}" /><inertia ixx="${m*(h*h + l*l)/12}" ixy = "0" ixz = "0"iyy="${m*(w*w + l*l)/12}" iyz= "0"izz="${m*(w*w + h*h)/12}" /></inertial></xacro:macro>
</robot>

2.底盘 ：semo02_date.urdf.xacro 文件

<!--使用 xacro 优化 URDF 版的小车底盘实现：实现思路:1.将一些常量、变量封装为 xacro:property比如:PI 值、小车底盘半径、离地间距、车轮半径、宽度 ....2.使用 宏 封装驱动轮以及支撑轮实现，调用相关宏生成驱动轮与支撑轮-->
<!-- 根标签，必须声明 xmlns:xacro -->
<robot name="my_base" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro"><!-- 封装变量、常量 --><!-- PI 值设置精度需要高一些，否则后续车轮翻转量计算时，可能会出现肉眼不能察觉的车轮倾斜，从而导致模型抖动 --><xacro:property name="PI" value="3.1415926"/><!-- 宏:黑色设置 --><material name="black"><color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" /></material><!-- 底盘属性 --><xacro:property name="base_footprint_radius" value="0.001" /> <!-- base_footprint 半径  --><xacro:property name="base_link_radius" value="0.1" /> <!-- base_link 半径 --><xacro:property name="base_link_length" value="0.08" /> <!-- base_link 长 --><xacro:property name="earth_space" value="0.015" /> <!-- 离地间距 --><xacro:property name="base_link_m" value="0.5" /> <!-- 质量  --><!-- 底盘 --><link name="base_footprint"><visual><geometry><sphere radius="${base_footprint_radius}" /></geometry></visual></link><link name="base_link"><visual><geometry><cylinder radius="${base_link_radius}" length="${base_link_length}" /></geometry><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" /><material name="yellow"><color rgba="0.5 0.3 0.0 0.5" /></material></visual><collision><geometry><cylinder radius="${base_link_radius}" length="${base_link_length}" /></geometry><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" /></collision><xacro:cylinder_inertial_matrix m="${base_link_m}" r="${base_link_radius}" h="${base_link_length}" /></link><joint name="base_link2base_footprint" type="fixed"><parent link="base_footprint" /><child link="base_link" /><origin xyz="0 0 ${earth_space + base_link_length / 2 }" /></joint><gazebo reference="base_link"><material>Gazebo/Yellow</material></gazebo><!-- 驱动轮 --><!-- 驱动轮属性 --><xacro:property name="wheel_radius" value="0.0325" /><!-- 半径 --><xacro:property name="wheel_length" value="0.015" /><!-- 宽度 --><xacro:property name="wheel_m" value="0.05" /> <!-- 质量  --><!-- 驱动轮宏实现 --><xacro:macro name="add_wheels" params="name flag"><link name="${name}_wheel"><visual><geometry><cylinder radius="${wheel_radius}" length="${wheel_length}" /></geometry><origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="${PI / 2} 0.0 0.0" /><material name="black" /></visual><collision><geometry><cylinder radius="${wheel_radius}" length="${wheel_length}" /></geometry><origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="${PI / 2} 0.0 0.0" /></collision><xacro:cylinder_inertial_matrix m="${wheel_m}" r="${wheel_radius}" h="${wheel_length}" /></link><joint name="${name}_wheel2base_link" type="continuous"><parent link="base_link" /><child link="${name}_wheel" /><origin xyz="0 ${flag * base_link_radius} ${-(earth_space + base_link_length / 2 - wheel_radius) }" /><axis xyz="0 1 0" /></joint><gazebo reference="${name}_wheel"><material>Gazebo/Red</material></gazebo></xacro:macro><xacro:add_wheels name="left" flag="1" /><xacro:add_wheels name="right" flag="-1" /><!-- 支撑轮 --><!-- 支撑轮属性 --><xacro:property name="support_wheel_radius" value="0.0075" /> <!-- 支撑轮半径 --><xacro:property name="support_wheel_m" value="0.03" /> <!-- 质量  --><!-- 支撑轮宏 --><xacro:macro name="add_support_wheel" params="name flag" ><link name="${name}_wheel"><visual><geometry><sphere radius="${support_wheel_radius}" /></geometry><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" /><material name="black" /></visual><collision><geometry><sphere radius="${support_wheel_radius}" /></geometry><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" /></collision><xacro:sphere_inertial_matrix m="${support_wheel_m}" r="${support_wheel_radius}" /></link><joint name="${name}_wheel2base_link" type="continuous"><parent link="base_link" /><child link="${name}_wheel" /><origin xyz="${flag * (base_link_radius - support_wheel_radius)} 0 ${-(base_link_length / 2 + earth_space / 2)}" /><axis xyz="1 1 1" /></joint><gazebo reference="${name}_wheel"><material>Gazebo/Red</material></gazebo></xacro:macro><xacro:add_support_wheel name="front" flag="1" /><xacro:add_support_wheel name="back" flag="-1" /></robot>

3：摄像头:：semo03_date.urdf.xacro 文件

<!-- 摄像头相关的 xacro 文件 -->
<robot name="my_camera" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro"><!-- 摄像头属性 --><xacro:property name="camera_length" value="0.01" /> <!-- 摄像头长度(x) --><xacro:property name="camera_width" value="0.025" /> <!-- 摄像头宽度(y) --><xacro:property name="camera_height" value="0.025" /> <!-- 摄像头高度(z) --><xacro:property name="camera_x" value="0.08" /> <!-- 摄像头安装的x坐标 --><xacro:property name="camera_y" value="0.0" /> <!-- 摄像头安装的y坐标 --><xacro:property name="camera_z" value="${base_link_length / 2 + camera_height / 2}" /> <!-- 摄像头安装的z坐标:底盘高度 / 2 + 摄像头高度 / 2  --><xacro:property name="camera_m" value="0.01" /> <!-- 摄像头质量 --><!-- 摄像头关节以及link --><link name="camera"><visual><geometry><box size="${camera_length} ${camera_width} ${camera_height}" /></geometry><origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" /><material name="black" /></visual><collision><geometry><box size="${camera_length} ${camera_width} ${camera_height}" /></geometry><origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" /></collision><xacro:Box_inertial_matrix m="${camera_m}" l="${camera_length}" w="${camera_width}" h="${camera_height}" /></link><joint name="camera2base_link" type="fixed"><parent link="base_link" /><child link="camera" /><origin xyz="${camera_x} ${camera_y} ${camera_z}" /></joint><gazebo reference="camera"><material>Gazebo/Blue</material></gazebo>
</robot>

4：雷达：semo_04_date.urdf.xacro文件

<!--小车底盘添加雷达
-->
<robot name="my_laser" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro"><!-- 雷达支架 --><xacro:property name="support_length" value="0.15" /> <!-- 支架长度 --><xacro:property name="support_radius" value="0.01" /> <!-- 支架半径 --><xacro:property name="support_x" value="0.0" /> <!-- 支架安装的x坐标 --><xacro:property name="support_y" value="0.0" /> <!-- 支架安装的y坐标 --><xacro:property name="support_z" value="${base_link_length / 2 + support_length / 2}" /> <!-- 支架安装的z坐标:底盘高度 / 2 + 支架高度 / 2  --><xacro:property name="support_m" value="0.02" /> <!-- 支架质量 --><link name="support"><visual><geometry><cylinder radius="${support_radius}" length="${support_length}" /></geometry><origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" /><material name="red"><color rgba="0.8 0.2 0.0 0.8" /></material></visual><collision><geometry><cylinder radius="${support_radius}" length="${support_length}" /></geometry><origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" /></collision><xacro:cylinder_inertial_matrix m="${support_m}" r="${support_radius}" h="${support_length}" /></link><joint name="support2base_link" type="fixed"><parent link="base_link" /><child link="support" /><origin xyz="${support_x} ${support_y} ${support_z}" /></joint><gazebo reference="support"><material>Gazebo/White</material></gazebo><!-- 雷达属性 --><xacro:property name="laser_length" value="0.05" /> <!-- 雷达长度 --><xacro:property name="laser_radius" value="0.03" /> <!-- 雷达半径 --><xacro:property name="laser_x" value="0.0" /> <!-- 雷达安装的x坐标 --><xacro:property name="laser_y" value="0.0" /> <!-- 雷达安装的y坐标 --><xacro:property name="laser_z" value="${support_length / 2 + laser_length / 2}" /> <!-- 雷达安装的z坐标:支架高度 / 2 + 雷达高度 / 2  --><xacro:property name="laser_m" value="0.1" /> <!-- 雷达质量 --><!-- 雷达关节以及link --><link name="laser"><visual><geometry><cylinder radius="${laser_radius}" length="${laser_length}" /></geometry><origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" /><material name="black" /></visual><collision><geometry><cylinder radius="${laser_radius}" length="${laser_length}" /></geometry><origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" /></collision><xacro:cylinder_inertial_matrix m="${laser_m}" r="${laser_radius}" h="${laser_length}" /></link><joint name="laser2support" type="fixed"><parent link="support" /><child link="laser" /><origin xyz="${laser_x} ${laser_y} ${laser_z}" /></joint><gazebo reference="laser"><material>Gazebo/Black</material></gazebo>
</robot>

5：创建运动控制实现系统：move.xacro

<robot name="my_car_move" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro"><!-- 传动实现:用于连接控制器与关节 --><xacro:macro name="joint_trans" params="joint_name"><!-- Transmission is important to link the joints and the controller --><transmission name="${joint_name}_trans"><type>transmission_interface/SimpleTransmission</type><joint name="${joint_name}"><hardwareInterface>hardware_interface/VelocityJointInterface</hardwareInterface></joint><actuator name="${joint_name}_motor"><hardwareInterface>hardware_interface/VelocityJointInterface</hardwareInterface><mechanicalReduction>1</mechanicalReduction></actuator></transmission></xacro:macro><!-- 每一个驱动轮都需要配置传动装置 --><xacro:joint_trans joint_name="left_wheel2base_link" /><xacro:joint_trans joint_name="right_wheel2base_link" /><!-- 控制器 --><gazebo><plugin name="differential_drive_controller" filename="libgazebo_ros_diff_drive.so"><rosDebugLevel>Debug</rosDebugLevel><publishWheelTF>true</publishWheelTF><robotNamespace>/</robotNamespace><publishTf>1</publishTf><publishWheelJointState>true</publishWheelJointState><alwaysOn>true</alwaysOn><updateRate>100.0</updateRate><legacyMode>true</legacyMode><leftJoint>left_wheel2base_link</leftJoint> <!-- 左轮 --><rightJoint>right_wheel2base_link</rightJoint> <!-- 右轮 --><wheelSeparation>${base_link_radius * 2}</wheelSeparation> <!-- 车轮间距 --><wheelDiameter>${wheel_radius * 2}</wheelDiameter> <!-- 车轮直径 --><broadcastTF>1</broadcastTF><wheelTorque>30</wheelTorque><wheelAcceleration>1.8</wheelAcceleration><commandTopic>cmd_vel</commandTopic> <!-- 运动控制话题 --><odometryFrame>odom</odometryFrame> <!-- 里程计坐标系 --><odometryTopic>odom</odometryTopic> <!-- 里程计话题 --><robotBaseFrame>base_footprint</robotBaseFrame> <!-- 根坐标系 --></plugin></gazebo></robot>

6：组合底盘、摄像头与雷达的 car.urdf.xacro 文件

<!-- 组合小车底盘与摄像头与雷达 -->
<robot name="my_car_camera" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro"><xacro:include filename="head.xacro" /><xacro:include filename="semo02_date.urdf.xacro" /><xacro:include filename="semo03_date.urdf.xacro" /><xacro:include filename="semo_04_date.urdf.xacro" />
<!-- 运动控制 --><xacro:include filename="gazebo/move.xacro" />
</robot>

7：创建demo_03.launch文件

<launch><!-- 将 Urdf 文件的内容加载到参数服务器 --><param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro  $(find urdf02_gazebo)/urdf/xacro/car.urdf.xacro" /><!-- 启动 gazebo --><include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch" ><arg name="world_name" value="$(find urdf02_gazebo)/worlds/box_house.world"/></include><!-- 在 gazebo 中显示机器人模型 --><node pkg="gazebo_ros" type="spawn_model" name="model" args="-urdf -model mycar -param robot_description"  />
</launch>

8：下载box_house.world文件

下载地址：https://github.com/zx595306686/sim_demo

9：创建rviz控制demo_04_sens.launch

<launch><node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdlee)/config/showmycar.rviz" /><node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher" output="screen" /><node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" output="screen" /></launch>

命令运行

source ./devel/setup.bash
roslaunch urdf02_gazebo demo_03.launch 
roslaunch urdf02_gazebo demo_04_sens.launch
rosrun teleop_twist_keyboard teleop_twist_keyboard.py 

雷达信息仿真以及显示创建一个：laser.xacro文件

<robot name="my_sensors" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro"><!-- 雷达，laser雷达连杆的名称 --><gazebo reference="laser"><!-- ray：雷达的类型，rplidar：雷达名字 --><sensor type="ray" name="rplidar"><!-- xyz,偏移量，后面是欧拉角 --><pose>0 0 0 0 0 0</pose><!-- 在gazebo中   是否显示雷达射线 --><visualize>true</visualize><!-- 在gazebo中是雷达射线 中更新的频率--><update_rate>5.5</update_rate><ray><scan><!-- 雷达参数--><horizontal><!-- 雷达旋转一周会发射360个点--><samples>360</samples><!-- 雷达分辨率--><resolution>1</resolution><!-- 参数是弧度，采样的角度--><min_angle>-3</min_angle><max_angle>3</max_angle></horizontal></scan><range><!-- 采样的距离--><min>0.10</min><max>30.0</max><resolution>0.01</resolution></range><noise><!-- 高斯噪音--><type>gaussian</type><mean>0.0</mean><stddev>0.01</stddev></noise></ray><plugin name="gazebo_rplidar" filename="libgazebo_ros_laser.so"><!-- 雷达发布消息的scan --><topicName>/scan</topicName><frameName>laser</frameName></plugin></sensor></gazebo></robot>

在car.urdf.xacro中添加雷达模块

<!-- 雷达 -->
<xacro:include filename="gazebo/laser.xacro" />

摄像头信息仿真以及显示创建一个：camera.xacro文件

<robot name="my_sensors" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro"><!-- 被引用的link --><gazebo reference="camera"><!-- 类型设置为 camara --><sensor type="camera" name="camera_node"><update_rate>30.0</update_rate> <!-- 更新频率 --><!-- 摄像头基本信息设置 --><camera name="head"><horizontal_fov>1.3962634</horizontal_fov><image><!-- 摄像头的分辨率 --><width>1280</width><height>720</height><format>R8G8B8</format></image><clip><!-- 摄像头的观察最近最远距离 --><near>0.02</near><far>300</far></clip><noise><!-- 高斯噪音 --><type>gaussian</type><mean>0.0</mean><stddev>0.007</stddev></noise></camera><!-- 核心插件 --><plugin name="gazebo_camera" filename="libgazebo_ros_camera.so"><alwaysOn>true</alwaysOn><updateRate>0.0</updateRate><cameraName>/camera</cameraName><!-- 摄像头显示话题 --><imageTopicName>image_raw</imageTopicName><cameraInfoTopicName>camera_info</cameraInfoTopicName><frameName>camera</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>

在car.urdf.xacro中添加相机模块

<!-- 摄像头 --><xacro:include filename="gazebo/camera.xacro" />

深度相机信息仿真以及显示：kinect.xacro

<robot name="my_sensors" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro"><gazebo reference="support">  <sensor type="depth" name="camera"><always_on>true</always_on><!-- 更新频率 --><update_rate>20.0</update_rate><camera><horizontal_fov>${60.0*PI/180.0}</horizontal_fov><image><!-- 深度相机的分辨率 --><format>R8G8B8</format><width>640</width><height>480</height></image><clip><!-- 深度相机的最近最远距离 --><near>0.05</near><far>8.0</far></clip></camera><plugin name="kinect_camera_controller" filename="libgazebo_ros_openni_kinect.so"><!-- 深度相机的命名空间，下面有话题，都已camera为前缀 --><cameraName>camera</cameraName><alwaysOn>true</alwaysOn><updateRate>10</updateRate><!-- 深度相机的话题事件：image_raw：采集一般图像 --><imageTopicName>rgb/image_raw</imageTopicName><!-- 深度相机的话题事件：depth/image_raw和depth/points：采集深度 --><depthImageTopicName>depth/image_raw</depthImageTopicName><pointCloudTopicName>depth/points</pointCloudTopicName><cameraInfoTopicName>rgb/camera_info</cameraInfoTopicName><depthImageCameraInfoTopicName>depth/camera_info</depthImageCameraInfoTopicName><frameName>support_depth</frameName><baseline>0.1</baseline><distortion_k1>0.0</distortion_k1><distortion_k2>0.0</distortion_k2><distortion_k3>0.0</distortion_k3><distortion_t1>0.0</distortion_t1><distortion_t2>0.0</distortion_t2><pointCloudCutoff>0.4</pointCloudCutoff></plugin></sensor></gazebo></robot>

在car.urdf.xacro中添加深度相机模块

<!-- 深度摄像头 --><xacro:include filename="gazebo/kinect.xacro" />

在demo_04_sens.launch中增加

 <!--添加点云坐标系到Kinect连杆坐标系的变换--><node pkg="tf2_ros" type="static_transform_publisher" name="static_transform_publisher" args="0 0 0 -1.57 0 -1.57 /support /support_depth" />