Gazebo机器人仿真

一、实验目标和实验准备
二、Gazebo的使用和world创建
三、URDF和机器人模型
四、传感器和执行文件安装
五、使用Gazebo进行SLAM建图和导航实验
- 1. 实验预准备
- 2. 建图实验
- 3. 导航实验
六、从Solidworks中创建URDF模型

本文基于 B站冰达机器人Gazebo教程，针对在仿真过程中出现的问题提出相应解决办法。

一、实验目标和实验准备

目标: 设计出一台具备激光雷达、IMU和相机的机器人仿真模型用于相关实验。

获取实验功能包：

git clone https://gitee.com/bingda-robot/bingda_tutorials

克隆完成后在工作空间路径下编译功能包

catkin_make --pkg bingda_tutorials

安装其他依赖

sudo apt-get install ros-$ROS_DISTRO-gazebo-ros ros-$ROS_DISTRO-gazebo-ros-control ros-$ROS_DISTRO-gazebo-plugins ros-$ROS_DISTRO-joint-state-publisher ros-$ROS_DISTRO-joint-state-publisher-gui ros-$ROS_DISTRO-robot-state-publisher

二、Gazebo的使用和world创建

获取gazebo模型库：

git clone https://gitee.com/bingda-gazebo_models.git

自制实验场景 Edit -> Building Editor

保存模型：File -> Save -> 保存路径
保存环境模型：File -> Save World As -> 保存路径

这里创建了一个maze.world文件。

创建完成后可将环境模型置于功能包的world文件夹下。

可使用gazebo_world.launch来启动Gazebo加载该环境模型，注意world文件名可替换。

gazebo_world.launch

<launch><include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch"><arg name="world_name" value="$(find bingda_tutorials)/world/maze.world"/><arg name="paused" value="false"/><arg name="use_sim_time" value="true"/><arg name="gui" value="true"/><arg name="headless" value="false"/><arg name="debug" value="false"/></include>
</launch>

启动该launch文件

roslaunch bingda_tutorials gazebo_world.launch

Gazebo出现之前创建的环境模型即为成功。

三、URDF和机器人模型

介绍机器人描述文件URDF（Unified Robot Description Format，统一机器人描述格式）
以及<robot>，<link>，<joint>等标签使用方法，读者可由以下链接进入官网查看更详细的说明。

URDF参考文档
URDF文档XML格式说明

mybot.urdf

<?xml version="1.0"?>
<robot name="mybot">  <link name="base_footprint"/><joint name="base_joint" type="fixed">  <parent link="base_footprint"/>  <child link="base_link"/>  <origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/>  </joint>  <link name="base_link">  <inertial><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/><mass value="0.1"/><inertia ixx="0.0001"  ixy="0"  ixz="0" iyy="0.0001" iyz="0" izz="0.001" /></inertial><visual>  <geometry>  <box size="0.25 0.16 0.05"/>  </geometry>  <origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/>  <material name="blue">  <color rgba="0 0 0.8 1"/>  </material>  </visual>  <collision><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/><geometry><box size="0.25 0.16 0.05"/></geometry></collision></link>  <link name="right_wheel_link">  <inertial><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/><mass value="0.1"/><inertia ixx="0.0001"  ixy="0"  ixz="0" iyy="0.0001" iyz="0" izz="0.0001" /></inertial><visual>  <geometry>  <cylinder length="0.02" radius="0.025"/>  </geometry>  <material name="black">  <color rgba="0 0 0 1"/>  </material>  </visual>  <collision><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/><geometry><cylinder length="0.02" radius="0.025"/> </geometry></collision></link>  <joint name="right_wheel_joint" type="continuous">  <axis xyz="0 0 -1"/>  <parent link="base_link"/>  <child link="right_wheel_link"/>  <origin rpy="1.5707 0 0" xyz=" 0.1 -0.09 -0.03"/>  </joint>  <link name="left_wheel_link">  <inertial><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/><mass value="0.1"/><inertia ixx="0.0001"  ixy="0"  ixz="0" iyy="0.0001" iyz="0" izz="0.0001" /></inertial><visual>  <geometry>  <cylinder length="0.02" radius="0.025"/>  </geometry>  <material name="black">  <color rgba="0 0 0 1"/>  </material>  </visual>  <collision><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/><geometry><cylinder length="0.02" radius="0.025"/> </geometry></collision>   </link>  <joint name="left_wheel_joint" type="continuous">  <axis xyz="0 0 -1"/>  <parent link="base_link"/>  <child link="left_wheel_link"/>  <origin rpy="1.5707 0 0" xyz="0.1 0.09 -0.03"/>  </joint>  <link name="ball_wheel_link">  <inertial><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/><mass value="0.1"/><inertia ixx="0"  ixy="0"  ixz="0" iyy="0" iyz="0" izz="0" /></inertial><visual>  <geometry>  <sphere radius="0.025"/>  </geometry>  <material name="black">  <color rgba="0 0 0 1"/>  </material>  </visual>  <collision><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/><geometry><sphere radius="0.025"/> </geometry></collision>   </link>  <joint name="ball_wheel_joint" type="fixed">  <axis xyz="0 0 1"/>  <parent link="base_link"/>  <child link="ball_wheel_link"/>  <origin rpy="0 0 0" xyz="-0.10 0 -0.03"/>  </joint>  </robot>

注意：一般将link的可视化属性<visual>与碰撞属性<collision>的参数设为一致，所见即所仿真。

bingda_tutorials中已经描述了一个带转向轮的三轮小车mybot，可使用check_urdf 命令来检查URDF文件语法

roscd bingda_tutorials/urdf/
check_urdf mybot.urdf

结果显示如上图所示：查看mybot.urdf文件可以发现空link属性的base_footprint，是约定俗成代表该机器人地面投影的link，base_footprint通过base_joint与base_link连接，base_link通过其他joint与3个child link相连，分别是左轮，右轮和万向轮。

可能会提示没有安装该命令相关的包，以下命令补上。

sudo apt install liburdfdom-tools

机器人配置文件设置好后，可启动gazebo_robot.launch文件观察实际效果，其中gazebo_world.launch文件内为自行设置的环境模型。

gazebo_robot.launch

<launch><include file="$(find bingda_tutorials)/launch/gazebo_world.launch"/><node name="spawn_model"  pkg="gazebo_ros"  type="spawn_model" args="-file $(find bingda_tutorials)/urdf/mybot.urdf -urdf -model robot_description" output="screen" /></launch>

启动launch文件

roslaunch bingda_tutorials gazebo_robot.launch

可以观察到在环境模型中加载了小车模型，但是还不能进行仿真，也没有颜色，需要添加<gazebo>相关标签。

四、传感器和执行文件安装

目标：为车轮增加执行器件，并添加激光雷达、IMU和摄像头。

xacro文件，对urdf文件的补充。不是非用不可，但不失为一种简化代码的手段。

mybot.xacro

<?xml version="1.0"?>  <!-- To declare this code can be explained by xacro -->
<robot name="mybot" xmlns:xacro="http://ros.org/wiki/xacro">  <!-- Include this file to make a distinction between module file and simulation file--><xacro:include filename="$(find bingda_tutorials)/urdf/mybot.gazebo.xacro" /> <!--  The code is same as mybot.urdf in this place --><!-- imu sensor --><link name="imu">  <visual>  <geometry>  <box size="0.01 0.01 0.01"/>  </geometry>  <material name="white">  <color rgba="1 1 1 1"/>  </material>  </visual>  </link>  <joint name="imu_joint" type="fixed">  <parent link="base_link"/>  <child link="imu"/>  <origin xyz="0.08 0 0.025"/>  </joint> <!-- camera --><link name="base_camera_link">  <visual>  <geometry>  <box size="0.02 0.03 0.03"/>  </geometry>  <material name="white">  <color rgba="1 1 1 1"/>  </material>  </visual>  </link>  <joint name="camera_joint" type="fixed">  <parent link="base_link"/>  <child link="base_camera_link"/>  <origin xyz="0.1 0 0.025"/>  </joint> <!-- laser lidar --><link name="base_laser_link">  <visual>  <geometry>  <cylinder length="0.06" radius="0.04"/>   </geometry>  <material name="white">  <color rgba="1 1 1 1"/>  </material>  </visual>  </link>  <joint name="laser_joint" type="fixed">  <parent link="base_link"/>  <child link="base_laser_link"/>  <origin xyz="0 0.0 0.06"/>  </joint> </robot>

mybot.xacro文件仅定义了模型中增加的传感器的位置大小以及连接方式，并未真正意义上的添加传感器的仿真功能，具体仿真效果见mybot.gazebo.xacro文件。这样做的目的是将模型文件与仿真文件分开存放，互不影响，增加项目文件的复用性，同时使代码理解更简单。

mybot.gazebo.xacro

<?xml version="1.0"?>
<robot name="mybot" xmlns:xacro="http://ros.org/wiki/xacro"><xacro:arg name="laser_visual" default="false"/><xacro:arg name="camera_visual" default="false"/><xacro:arg name="imu_visual"   default="false"/><gazebo reference="base_link"><material>Gazebo/DarkGrey</material></gazebo><gazebo reference="left_wheel_link"><mu1>0.5</mu1><mu2>0.5</mu2><kp>500000.0</kp><kd>10.0</kd><minDepth>0.001</minDepth><maxVel>1.0</maxVel><fdir1>1 0 0</fdir1><material>Gazebo/DarkGrey</material></gazebo><gazebo reference="right_wheel_link"><mu1>0.5</mu1><mu2>0.5</mu2><kp>500000.0</kp><kd>10.0</kd><minDepth>0.001</minDepth><maxVel>1.0</maxVel><fdir1>1 0 0</fdir1><material>Gazebo/FlatBlack</material></gazebo><gazebo reference="ball_wheel_link"><mu1>0.1</mu1><mu2>0.1</mu2><kp>500000.0</kp><kd>100.0</kd><minDepth>0.001</minDepth><maxVel>1.0</maxVel><material>Gazebo/FlatBlack</material></gazebo><gazebo reference="imu"><sensor type="imu" name="imu"><always_on>true</always_on><visualize>$(arg imu_visual)</visualize></sensor><material>Gazebo/FlatBlack</material></gazebo><gazebo><plugin name="mybot_controller" filename="libgazebo_ros_diff_drive.so"><commandTopic>cmd_vel</commandTopic><odometryTopic>odom</odometryTopic><odometryFrame>odom</odometryFrame><odometrySource>world</odometrySource><publishOdomTF>true</publishOdomTF><robotBaseFrame>base_footprint</robotBaseFrame><publishWheelTF>false</publishWheelTF><publishTf>true</publishTf><publishWheelJointState>true</publishWheelJointState><legacyMode>false</legacyMode><updateRate>30</updateRate><leftJoint>left_wheel_joint</leftJoint><rightJoint>right_wheel_joint</rightJoint><wheelSeparation>0.180</wheelSeparation><wheelDiameter>0.05</wheelDiameter><wheelAcceleration>10</wheelAcceleration><wheelTorque>100</wheelTorque><rosDebugLevel>na</rosDebugLevel></plugin></gazebo><gazebo><plugin name="imu_plugin" filename="libgazebo_ros_imu.so"><alwaysOn>true</alwaysOn><bodyName>imu</bodyName>  <frameName>imu</frameName><topicName>imu</topicName><serviceName>imu_service</serviceName><gaussianNoise>0.0</gaussianNoise><updateRate>0</updateRate><imu><noise><type>gaussian</type><rate><mean>0.0</mean><stddev>2e-4</stddev><bias_mean>0.0000075</bias_mean><bias_stddev>0.0000008</bias_stddev></rate><accel><mean>0.0</mean><stddev>1.7e-2</stddev><bias_mean>0.1</bias_mean><bias_stddev>0.001</bias_stddev></accel></noise></imu></plugin></gazebo><gazebo reference="base_laser_link"><material>Gazebo/FlatBlack</material><sensor type="ray" name="rplidar_sensor"><pose>0 0 0 0 0 0</pose><visualize>$(arg laser_visual)</visualize><update_rate>7</update_rate><ray><scan><horizontal><samples>720</samples><resolution>0.5</resolution><min_angle>0.0</min_angle><max_angle>6.28319</max_angle></horizontal></scan><range><min>0.120</min><max>12.0</max><resolution>0.015</resolution></range><noise><type>gaussian</type><mean>0.0</mean><stddev>0.01</stddev></noise></ray><plugin name="gazebo_ros_rplidar_controller" filename="libgazebo_ros_laser.so"><topicName>scan</topicName><frameName>base_laser_link</frameName></plugin></sensor></gazebo><gazebo reference="base_camera_link"><sensor type="camera" name="csi Camera"><always_on>true</always_on><visualize>$(arg camera_visual)</visualize><camera><horizontal_fov>1.085595</horizontal_fov><image><width>640</width><height>480</height><format>R8G8B8</format></image><clip><near>0.03</near><far>100</far></clip></camera><plugin name="camera_controller" filename="libgazebo_ros_camera.so"><alwaysOn>true</alwaysOn><updateRate>30.0</updateRate><cameraName>/</cameraName><frameName>base_camera_link</frameName><imageTopicName>image_raw</imageTopicName><cameraInfoTopicName>camera_info</cameraInfoTopicName><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>

mybot.gazebo.xacro具体定义传感器在gazebo中的仿真效果即<gazebo>标签，包括视觉上的颜色以及控制效果等，且只在gezebo中生效，传感器以插件plugin的标签载入。

可启动simulation_robot.launch文件查看效果。

rosrlaunch bingda_tutorials simulation_robot.launch

可以观察到与之前相比，小车已经有了颜色，并且添加了传感器。

验证摄像头功能：

rqt_image_view

选择订阅摄像头发布的话题 /image_raw/compress 。

验证完成！

五、使用Gazebo进行SLAM建图和导航实验

1. 实验预准备

安装建图导航功能包robot_navigation：

cd ~/catkin_ws/src/
git clone https://gitee.com/bingda-robot/robot_navigation.gitcd ~/catkin_ws/
catkin_make
sudo apt-get install ros-$ROS_DISTRO-amcl ros-$ROS_DISTRO-move-base ros-$ROS_DISTRO-slam-gmapping ros-$ROS_DISTRO-slam-karto ros-$ROS_DISTRO-cartographer ros-$ROS_DISTRO-cartographer-ros ros-$ROS_DISTRO-dwa-local-planner ros-$ROS_DISTRO-teb-local-planner ros-$ROS_DISTRO-map-server ros-$ROS_DISTRO-hector-slam*echo "export BASE_TYPE=NanoRobot" >> ~/.bashrc
source  ~/.bashrc

2. 建图实验

启动仿真文件simulation_robot.launch

roslaunch bingda_tutorials simulation_robot.launch

使用gmapping算法进行建图

roslaunch robot_navigation gmapping.launch simulation:=true

simulation为true表示需要仿真，与gazebo建立同步时间线。

打开rviz

roslaunch robot_navigation slam_rviz.launch

获取小车摄像头图像

rqt_image_view

打开键盘控制节点，控制小车运动并建图

rosrun teleop_twist_keyboard teleop_twist_keyboard.py

若没有安装此功能包，可由以下指令安装：

sudo apt-get install ros-melodic-teleop-twist-keyboard

建图完成后，对地图进行保存，这里命名为mazemap

roscd robot_navigation/maps
rosrun map_server map_saver -f mazemap

3. 导航实验

根据刚才建立的地图进行导航
robot_navigation功能包下提供了一个与导航堆栈相关的launch文件navigation_stack.launch

navigation_stack.launch

<launch><!-- Arguments --><arg name="map_file" default="$(find robot_navigation)/maps/mazemap.yaml"/><arg name="simulation" default= "false"/> <arg name="planner"  default="dwa" doc="opt: dwa, teb"/> <arg name="move_forward_only" default="false"/><arg name="use_dijkstra" default= "true"/>  <!-- Map server --><node pkg="map_server" name="map_server" type="map_server" args="$(arg map_file)"><param name="frame_id" value="map"/></node><!-- AMCL --><node pkg="amcl" type="amcl" name="amcl" output="screen"><rosparam file="$(find robot_navigation)/param/$(env BASE_TYPE)/amcl_params.yaml" command="load" /><param name="initial_pose_x"            value="0.0"/><param name="initial_pose_y"            value="0.0"/><param name="initial_pose_a"            value="0.0"/></node><!-- move_base --><include file="$(find robot_navigation)/launch/move_base.launch" ><arg name="planner"               value="$(arg planner)"/><arg name="simulation"            value="$(arg simulation)"/><arg name="move_forward_only"     value="$(arg move_forward_only)"/><arg name="use_dijkstra"     value="$(arg use_dijkstra)"/></include>
</launch>

该launch文件会启动地图服务器，amcl定位节点等等。
需要注意的是这里BASE_TYPE为NanoCar，与建立的小车模型在尺寸上会有不同，进而可能导致在进行导航实验时会发生碰撞，读者可在robot_navigation/param文件夹下建立自己的小车尺寸数据。

启动仿真文件simulation_robot.launch

roslaunch bingda_tutorials simulation_robot.launch

启动navigation_stack.launch

roslaunch robot_navigation navigation_stack.launch simulation:=true

打开rviz

roslaunch robot_navigation slam_rviz.launch

获取小车摄像头图像

rqt_image_view

Rviz会加载之前保存的地图，此时确定目标点位姿(图中紫色箭头所示)，小车即可自动开始进行导航。

小车顺利到达目标点，导航实验成功！

六、从Solidworks中创建URDF模型

使用sw_urdf_exporter工具进行转换，在转换前须确定主要坐标轴。

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一、实验目标和实验准备

二、Gazebo的使用和world创建

三、URDF和机器人模型

四、传感器和执行文件安装

五、使用Gazebo进行SLAM建图和导航实验

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2. 建图实验

3. 导航实验

六、从Solidworks中创建URDF模型

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