機器人系統仿真(十四)——機器人運動控制以及里程計信息顯示

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/

機器人運動控制以及里程計信息顯示

1 ros_control 簡介

場景:同一套 ROS 程序，如何部署在不同的機器人系統上，比如：開發階段為了提高效率是在仿真平台上測試的，部署時又有不同的實體機器人平台，不同平台的實現是有差異的，如何保證 ROS 程序的可移植性？ROS 內置的解決方式是 ros_control。

ros_control:是一組軟件包，它包含了控制器接口，控制器管理器，傳輸和硬件接口。ros_control 是一套機器人控制的中間件，是一套規范，不同的機器人平台只要按照這套規范實現，那么就可以保證 與ROS 程序兼容，通過這套規范，實現了一種可插拔的架構設計，大大提高了程序設計的效率與靈活性。

gazebo 已經實現了 ros_control 的相關接口，如果需要在 gazebo 中控制機器人運動，直接調用相關接口即可

在 urdf 文件夾下新建 gazebo 文件夾，在 gazebo 文件夾下新建 move.xacro 

2.運動控制實現流程(Gazebo)

承上，運動控制基本流程:

1. 已經創建完畢的機器人模型，編寫一個單獨的 xacro 文件，為機器人模型添加傳動裝置以及控制器

2. 將此文件集成進xacro文件

3. 啟動 Gazebo 並發布 /cmd_vel 消息控制機器人運動

 

2.1 為 joint 添加傳動裝置以及控制器

 

兩輪差速配置

在 urdf 新建 gazebo 文件夾，再在文件夾下新建 move.xacro

 

2.2 xacro文件集成

 

在 car.urdf.xacro 里設置 move.xacro

<robot name="my_base" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro">
    <!--包含慣性矩陣文件-->
    <xacro:include filename="head.xacro" />
    <!--包含底盤、攝像頭與雷達的 xacro 文件-->
    <xacro:include filename="demo05_car_base.urdf.xacro" />
    <xacro:include filename="demo06_car_camera.urdf.xacro" />
    <xacro:include filename="demo07_car_laser.urdf.xacro" />

    <!--運動控制-->
    <xacro:include filename="gazebo/move.xacro" />

</robot>

復用之前的 demo03_env.launch

<launch>
    <!--1.需要在參數服務器中載入 urdf -->
    <param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro $(find urdf02_gazebo)/urdf/car.urdf.xacro" />
    <!--2.啟動 Gazebo 仿真環境 -->
    <include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch" >
        <arg name="world_name" value="$(find urdf02_gazebo)/worlds/box_house.world" />
    </include>
    <!--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>

編寫 move.xacro

<robot name="my_car_move" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">

    <!-- 傳動實現:用於連接控制器與關節 -->
    <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>

    <!-- 每一個驅動輪都需要配置傳動裝置 -->
    <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> <!-- 左輪 -->
            <rightJoint>right_wheel2base_link</rightJoint> <!-- 右輪 -->
            <wheelSeparation>${base_link_radius * 2}</wheelSeparation> <!-- 車輪間距 -->
            <wheelDiameter>${wheel_radius * 2}</wheelDiameter> <!-- 車輪直徑 -->
            <broadcastTF>1</broadcastTF>
            <wheelTorque>30</wheelTorque>
            <wheelAcceleration>1.8</wheelAcceleration>
            <commandTopic>cmd_vel</commandTopic> <!-- 運動控制話題 -->
            <odometryFrame>odom</odometryFrame> 
            <odometryTopic>odom</odometryTopic> <!-- 里程計話題 -->
            <robotBaseFrame>base_footprint</robotBaseFrame> <!-- 根坐標系 -->
        </plugin>
    </gazebo>

</robot>

一些配置參考 demo05_car_base.urdf.xacro

<!--
    使用 xacro 優化 URDF 版的小車底盤實現：

    實現思路:
    1.將一些常量、變量封裝為 xacro:property
      比如:PI 值、小車底盤半徑、離地間距、車輪半徑、寬度 ....
    2.使用 宏 封裝驅動輪以及支撐輪實現，調用相關宏生成驅動輪與支撐輪

-->
<!-- 根標簽，必須聲明 xmlns:xacro -->
<robot name="my_base" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro">
    <!-- 封裝變量、常量 -->
    <xacro:property name="PI" value="3.141"/>
    <!-- 宏:黑色設置 -->
    <material name="black">
        <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
    </material>
    <!-- 底盤屬性 -->
    <xacro:property name="base_footprint_radius" value="0.001" /> <!-- base_footprint 半徑  -->
    <xacro:property name="base_link_radius" value="0.1" /> <!-- base_link 半徑 -->
    <xacro:property name="base_link_length" value="0.08" /> <!-- base_link 長 -->
    <xacro:property name="base_link_mass" value="2" /> <!-- base_link 長 -->
    <xacro:property name="earth_space" value="0.015" /> <!-- 離地間距 -->

    <!-- 底盤 -->
    <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="green">
          <color rgba="0.0 0.8 0.3 0.5" />
        </material>
      </visual>
      <!--設置慣性矩陣-->
      <collision>
        <geometry>
          <cylinder radius="${base_link_radius}" length="${base_link_length}" />
        </geometry>
        <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
      </collision>
      <!--調用慣性矩陣函數-->
      <xacro:cylinder_inertial_matrix m="${base_link_mass}" r="${base_link_radius}" h="${base_link_length}" />
    </link>
    <gazebo reference="base_link">
        <material>Gazebo/Yellow</material>
    </gazebo>

    <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>

    <!-- 驅動輪 -->
    <!-- 驅動輪屬性 -->
    <xacro:property name="wheel_radius" value="0.0325" /><!-- 半徑 -->
    <xacro:property name="wheel_length" value="0.015" /><!-- 寬度 -->
    <xacro:property name="wheel_mass" value="0.05" /><!-- 寬度 -->
    
    <!-- 驅動輪宏實現 -->
    <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="${PI / 2} 0.0 0.0" />
        </collision>
    <xacro:property name="wheel_mass" value="0.05" /><!-- 寬度 -->
        <xacro:cylinder_inertial_matrix m="${wheel_mass}" r="${wheel_radius}" h="${wheel_length}" />
      </link>
      <gazebo reference="${name}_wheel">
          <material>Gazebo/Red</material>
      </gazebo>

      <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>
    </xacro:macro>
    <xacro:add_wheels name="left" flag="1" />
    <xacro:add_wheels name="right" flag="-1" />
    <!-- 支撐輪 -->
    <!-- 支撐輪屬性 -->
    <xacro:property name="support_wheel_radius" value="0.0075" /> <!-- 支撐輪半徑 -->
    <xacro:property name="support_wheel_mass" value="0.01" /> <!-- 支撐輪半徑 -->

    <!-- 支撐輪宏 -->
    <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_mass}" r="${support_wheel_radius}" />
      </link>
      <gazebo reference="${name}_wheel">
        <material>Gazebo/Red</material>
      </gazebo>

      <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>
    </xacro:macro>

    <xacro:add_support_wheel name="front" flag="1" />
    <xacro:add_support_wheel name="back" flag="-1" />

</robot>

 

2.3 啟動 gazebo並控制機器人運動

 

運行：

cys@ubuntu:~/demo05_ws$ source ./devel/setup.bash
cys@ubuntu:~/demo05_ws$ roslaunch urdf02_gazebo demo03_env.launch 

新建命令窗口：

rostopic list
rosrun teleop_twist_keyboard  teleop_twist_keyboard.py

 鍵盤控制運動 i 向前走，k 停止，“，”后退

更改速度

rosrun teleop_twist_keyboard  teleop_twist_keyboard.py _speed:=0.3 _turn:=0.5

3.Rviz查看里程計信息

在 Gazebo 的仿真環境中，機器人的里程計信息以及運動朝向等信息是無法獲取的，可以通過 Rviz 顯示機器人的里程計信息以及運動朝向

里程計: 機器人相對出發點坐標系的位姿狀態(X 坐標 Y 坐標 Z坐標以及朝向)。

在 launch 文件夾下新建 demo04_sensor.launch

<launch>
   <!--啟動rviz-->
    <node pkg="rviz" name="rviz" type="rviz" args="-d $(find urdf01_rviz)/config/show_mycar.rviz"/>

    <!--關節狀態發布節點-->
    <node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher"/>
    <!--機器人狀態發布節點-->
    <node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher"/>
</launch>

同時運行兩個 launch 文件

cys@ubuntu:~/demo05_ws$ source ./devel/setup.bash
cys@ubuntu:~/demo05_ws$ roslaunch urdf02_gazebo demo03_env.launch 

cys@ubuntu:~/demo05_ws$ source ./devel/setup.bash
cys@ubuntu:~/demo05_ws$ roslaunch urdf02_gazebo demo04_sensor.launch 

開啟里程計

新建命令行，開啟鍵盤同時控制 rviz 和 gazebo 里的機器人小車

rosrun teleop_twist_keyboard  teleop_twist_keyboard.py