機器人系統仿真(十一)——URDF集成Gazebo

參考視頻：【奧特學園】ROS機器人入門課程《ROS理論與實踐》零基礎教程_嗶哩嗶哩_bilibili

參考文檔：http://www.autolabor.com.cn/book/ROSTutorials/

URDF 與 Gazebo 集成流程與 Rviz 實現類似，主要步驟如下:

1. 創建功能包，導入依賴項

2. 編寫 URDF 或 Xacro 文件

3. 啟動 Gazebo 並顯示機器人模型

1.創建功能包

創建新功能包，導入依賴包: urdf、xacro、gazebo_ros、gazebo_ros_control、gazebo_plugins

2.編寫URDF文件

<robot name="mycar">
    <link name="base_link">
        <!--可視化部分-->
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.5 0.3 0.1" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
            <material name="yellow">
                <color rgba="0.5 0.3 0 0.8" />
            </material>
        </visual>
        <!--1.設置碰撞參數-->
        <!--如果是標准幾何體，直接復制 visual 的 geometry 和 origin 即可-->
        <collision>
            <geometry>
                <box size="0.5 0.3 0.1" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
            <material name="yellow">
                <color rgba="0.5 0.3 0 0.8" />
            </material>
        </collision> 
        <!--2.設置慣性矩陣-->
        <inertial>
            <origin xyz="0 0 0" />
            <mass value="2" />
            <intertia  ixx="1" ixy="0" ixy="0" iyy="0" iyz="1" izz="1" />
        </inertial>
    </link>
    <!--gazebo 有自己的顏色設置標簽-->
    <gazebo reference="base_link">
        <material>Gazebo/Red</material>
    </gazebo>
</robot>

注意， 當 URDF 需要與 Gazebo 集成時，和 Rviz 有明顯區別:

1.必須使用 collision 標簽，因為既然是仿真環境，那么必然涉及到碰撞檢測，collision 提供碰撞檢測的依據。

2.必須使用 inertial 標簽，此標簽標注了當前機器人某個剛體部分的慣性矩陣，用於一些力學相關的仿真計算。

3.顏色設置，也需要重新使用 gazebo 標簽標注，因為之前的顏色設置為了方便調試包含透明度，仿真環境下沒有此選項。

3.啟動Gazebo並顯示模型

可以在終端輸入命令，嘗試啟動 gazebo

cys@ubuntu:~/demo05_ws$ roslaunch gazebo_ros empty_world.launch 

 或者，編寫 demo01_helloworld.launch 再運行

<launch>
    <!--1.需要在參數服務器中載入 urdf -->
    <param name="robot_description" textfile="$(find urdf02_gazebo)/urdf/demo01_helloworld.urdf" />

    <!--2.啟動 Gazebo 仿真環境 -->
    <include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch" />
    <!--3.在 Gazebo 中添加機器人模型 -->


</launch>

但這樣沒有機器人模型，要在 gazebo 里加載機器人模型

法一：還要輸入命令：

啟動 gazebo_ros 下的 spawn_model 這個節點，這個節點會從參數服務器 robot_description 加載urdf 格式的數據，產生一個新的模型，並將模型命名為 car

cys@ubuntu:~$ rosrun gazebo_ros spawn_model -urdf -model car -param robot_ddescription

用以下命令可以查看 spawn_model 的參數

rosrun gazebo_ros spawn_model -urdf -model -h 

 

法二：或者集成進 launch 文件

<launch>
    <!--1.需要在參數服務器中載入 urdf -->
    <param name="robot_description" textfile="$(find urdf02_gazebo)/urdf/demo01_helloworld.urdf" />

    <!--2.啟動 Gazebo 仿真環境 -->
    <include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch" />
    <!--3.在 Gazebo 中添加機器人模型 -->
    <node pkg="gazebo_ros" type="spawn_model" name="spawn_model" args="-urdf -model car -param robot_description" />

</launch>

在 Gazebo 中加載一個機器人模型，該功能由 gazebo_ros 下的 spawn_model 提供:
-urdf 加載的是 urdf 文件
-model mycar 模型名稱是 mycar
-param robot_description 從參數 robot_description 中載入模型
-x 模型載入的 x 坐標
-y 模型載入的 y 坐標
-z 模型載入的 z 坐標

啟動文件

4.URDF集成Gazebo相關設置

較之於 rviz，gazebo在集成 URDF 時，需要做些許修改，比如:必須添加 collision 碰撞屬性相關參數、必須添加 inertial 慣性矩陣相關參數，另外，如果直接移植 Rviz 中機器人的顏色設置是沒有顯示的，顏色設置也必須做相應的變更。

4.1.collision

如果機器人link是標准的幾何體形狀，和link的 visual 屬性設置一致即可。

4.2.inertial

慣性矩陣的設置需要結合link的質量與外形參數動態生成，標准的球體、圓柱與立方體的慣性矩陣公式如下(已經封裝為 xacro 實現):

球體慣性矩陣

<!-- 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>

圓柱慣性矩陣

<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>

立方體慣性矩陣

 <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>

需要注意的是，原則上，除了 base_footprint 外，機器人的每個剛體部分都需要設置慣性矩陣，且慣性矩陣必須經計算得出，如果隨意定義剛體部分的慣性矩陣，那么可能會導致機器人在 Gazebo 中出現抖動，移動等現象。

4.3.顏色設置

在 gazebo 中顯示 link 的顏色，必須要使用指定的標簽:

<gazebo reference="link節點名稱">
     <material>Gazebo/Blue</material>
</gazebo>

PS：material 標簽中，設置的值區分大小寫，顏色可以設置為 Red Blue Green Black .....