多线激光雷达+imu的gazebo仿真

前言：在做2D/3D slam的课题研究时，往往我们手里头没有昂贵的多线激光雷达和惯性传感器，ros提供了相应的传感器插件，通过插件可以在物理仿真环境下，模拟传感器运行时的效果。

文章目录

多线激光雷达+imu的gazebo仿真
- 1.搭建小车底盘模型
- 2.添加多线激光雷达
- 3.添加IMU
- 4.测试仿真

1.搭建小车底盘模型

gazebo下xacro描述文件多加了碰撞标签和惯性矩阵,定义常见形状的惯性矩阵描述文件my_inertia.xacro，

<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>

xacro文件格式对urdf文件格式进行了升级，提高了urdf格式代码的复用性。小车底盘的描述文件 my_car_Cylider.xacro如下：

<!--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 --><xacro:property name="PI" value="3.141"/><!-- 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="0.02" /> <!-- 离地间距 --><xacro:property name="base_link_m" value="1.0" /> <!-- 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}" 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/White</material></gazebo></xacro:macro><xacro:add_wheels name="base_l_wheel_joint" flag="1" /> <xacro:add_wheels name="base_r_wheel_joint" flag="-1" /><!-- 支撑轮 --><!-- 支撑轮属性 --><xacro:property name="support_wheel_radius" value="0.01" /> <!-- 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/Black</material></gazebo></xacro:macro><xacro:add_support_wheel name="front" flag="1" /><xacro:add_support_wheel name="back" flag="-1" /></robot>

2.添加多线激光雷达

多线激光雷达的配置文件my_sensor_vodyne.xacro

<?xml version="1.0"?>
<robot xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro" name="velodyne"><!-- Gazebo requires the velodyne_gazebo_plugins package --><gazebo reference="vodyne"><sensor type="ray" name="vodyne16"><pose>0 0 0 0 0 0</pose><visualize>false</visualize><update_rate>10</update_rate><ray><scan><horizontal><samples>1800</samples> <!-- Change this to 500 if gazebo keeps timing out --><resolution>0.2</resolution><min_angle>-${M_PI}</min_angle><max_angle> ${M_PI}</max_angle></horizontal><vertical><samples>16</samples><resolution>2</resolution><min_angle>-${15*M_PI/180.0}</min_angle><max_angle> ${15*M_PI/180.0}</max_angle></vertical></scan><range><min>0.055</min><max>100.0</max><resolution>0.1</resolution></range><noise><type>gaussian</type><mean>0.0</mean><stddev>0.0</stddev></noise></ray><plugin name="gazebo_ros_laser_controller" filename="libgazebo_ros_velodyne_laser.so"><topicName>/velodyne_points</topicName><frameName>vodyne</frameName><min_range>0.9</min_range><max_range>130.0</max_range><gaussianNoise>0.0</gaussianNoise></plugin></sensor></gazebo>
</robot>

在gazebo环境下添加多线激光雷达物理模型my_vodyne_gazebo.xacro

<!--小车底盘添加雷达
-->
<robot name="my_vodyne" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro"><!-- 雷达属性 --><xacro:property name="M_PI" value="3.1415926"/><xacro:property name="laser_length" value="0.03" /> <!-- 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="0.055" /> <!-- 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="vodyne"><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="${laser_length}" /></link><joint name="vodynetoBaselink" type="fixed"><parent link="base_link" /><child link="vodyne" /><origin xyz="${laser_x} ${laser_y} ${laser_z}" /></joint><gazebo reference="vodyne"><material>Gazebo/Blue</material></gazebo>
</robot>

3.添加IMU

imu的配置文件my_sensor_imu.xacro

<?xml version="1.0"?>
<robot xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro"> <gazebo reference="imu"><gravity>true</gravity><sensor name="imu_sensor" type="imu"><always_on>true</always_on><update_rate>100</update_rate><visualize>true</visualize><topic>__default_topic__</topic><plugin filename="libgazebo_ros_imu_sensor.so" name="imu_plugin"><topicName>imu</topicName><bodyName>imu</bodyName><updateRateHZ>100.0</updateRateHZ><gaussianNoise>0.0</gaussianNoise><xyzOffset>0 0 0</xyzOffset>     <rpyOffset>0 0 0</rpyOffset><frameName>imu</frameName>        </plugin><pose>0 0 0 0 0 0</pose></sensor></gazebo>
</robot>

在gazebo环境下添加imu物理模型my_imu_gazebo.xacro

<robot name="imu" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">  <xacro:property name="imu_offset_x" value="0" /><xacro:property name="imu_offset_y" value="0" /><xacro:property name="imu_offset_z" value="0.02" /><xacro:property name="imu_size"     value="0.01" /><xacro:property name="imu_m" value="0.01" /> <!-- imu质量 --><!-- imu --><joint name="imutoVodyne" type="fixed"><origin xyz="${imu_offset_x} ${imu_offset_y} ${imu_offset_z}" rpy="0 0 0" /><parent link="vodyne"/><child link="imu"/></joint><link name="imu"><visual><origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0" /><geometry><box size="${imu_size} ${imu_size} ${imu_size}"/></geometry>                <material name= "red" ><color rgba="1.0 0.0 0.0 1.0" /></material></visual><collision><geometry><box size="${imu_size} ${imu_size} ${imu_size}" /></geometry><origin xyz="0.0 0.0 0" rpy="0.0 0.0 0.0" /></collision><xacro:Box_inertial_matrix m = "${imu_m}" l = "${imu_size}" w = "${imu_size}" h = "${imu_size}"/></link><gazebo reference="imu"><material>Gazebo/Red</material></gazebo>
</robot>

4.测试仿真

将小车底盘、多线激光雷达、Imu组合到一起的xacro文件 my_car_vodyne_imu.xacro

<!-- 组合小车底盘与imu 激光雷达-->
<robot name="my_car_camera_laser" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro" reference= "base_footprint_radius"><!--注意inliude的顺序！--><xacro:include filename="my_inertial.xacro" /><xacro:include filename="my_car_Cylider.xacro" /><xacro:include filename="my_vodyne_gazebo.xacro" /><xacro:include filename="my_imu_gazebo.xacro" /><!--rplidar仿真的xacro文件--><xacro:include filename="$(find myrobot_gazebo)/urdf/sensor/my_sensor_rplidar.xacro" /><!--摄像头仿真的xacro文件--><!--xacro:include filename="$(find myrobot_gazebo)/urdf/sensor/my_sensor_camera.xacro" /--><!--imu仿真的xacro文件--><xacro:include filename="$(find myrobot_gazebo)/urdf/sensor/my_sensor_imu.xacro" /><!--vodyne仿真的xacro文件--><xacro:include filename="$(find myrobot_gazebo)/urdf/sensor/my_sensor_vodyne.xacro" /></robot>

编写launch文件 my_car_vodyne_imu.launch

<launch><!-- 将 Urdf 文件的内容加载到参数服务器 --><param name="robot_description" command="my_car_vodyne_imu.xacro" /><!-- 启动 gazebo --><include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch"></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"  /><!--发布机器人的状态--><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>

打开终端，启动launch文件，可以看到组合到一起的效果
另开一个终端输入

rostopic pub -r 10 /cmd_vel geometry_msgs/Twist '{linear: {x: 0.2, y: 0, z: 0}, angular: {x: 0, y: 0, z: 0.5}}'

gazebo下测试的效果