ros -- 机器人系统仿真

机器人系统仿真：

是通过计算机对实体机器人系统进行模拟的技术，在 ROS 中，仿真实现涉及的内容主要有三:对机器人建模(URDF)、创建仿真环境(Gazebo)以及感知环境(Rviz)等系统性实现。

功能包依赖：
urdf 、xacro

在当前功能包下，再新建几个目录:

urdf: 存储 urdf 文件的目录
meshes:机器人模型渲染文件(暂不使用)
config: 配置文件
launch: 存储 launch 启动文件

URDF集成Rviz基本流程

ROS 的 URDF 中机器人的组成却是较为简单，可以主要简化为两部分: 连杆(link标签) 与 关节(joint标签)

link :

<!-- 需求：设置不同形状的机器人部件 -->    
<robot name = "mycar">
    <link name="base_link">
        <!-- 可视化标签 -->
        <visual>
            <!-- 1.形状 -->
            <geometry>
                <!-- 1.1 立方体 长方体的长宽高 -->
                <!-- <box size="0.5 0.3 0.1" /> -->
                <!-- 1.2 圆柱，半径和长度 -->
                <!-- <cylinder radius="0.1" length="2" /> -->
                <!-- 1.3 球体，半径-->
                <!-- <sphere radius="1" /> -->
                <!-- 1.4 皮肤 -->
                <mesh filename = "package://urdf01_rviz/meshes/autolabor_mini.stl"/>
            </geometry>
            <!-- 2.偏移量与倾斜弧度  xyz坐标 rpy翻滚俯仰与偏航角度(3.14=180度 1.57=90度) -->
            <!--
                xyz 设置机器人模型在 x y z 上的偏移量
                rpy 用于设置倾斜弧度 x(翻滚) y(俯仰) z(偏航)
            -->
            <origin xyz="0 0 0" rpy="1.57 0 1.57" />  <!--x,z方向旋转90度-->
            <!-- 颜色: r=red g=green b=blue a=alpha -->
            <!--
                rgba:
                    r : red
                    g : green
                    b : blue
                    a : 透明度
                    四者取值 [0,1]
            -->
            <material name="car_color">
                <color rgba="0.7 0.5 0 0.5" />
            </material>
        </visual>
    </link>
</robot>

<launch>

    <!-- 1. 在参数服务器载入 urdf 文件 -->
    <param name="robot_description" textfile="$(find urdf01_rviz)/urdf/urdf/demo02_link.urdf" />

    <!-- 2. 启动 rviz -->
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf01_rviz)/config/show_mycar.rviz" />

</launch>

joint：

<!-- 
    需求: 创建机器人模型，底盘为长方体，
         在长方体的前面添加一摄像头，
         摄像头可以沿着 Z 轴 360 度旋转
 -->
<robot name="mycar">
    <!-- 1.底盘 link -->
    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.3 0.2 0.1" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="car_color">
                <color rgba="0.8 0.5 0 0.5" />
            </material>
        </visual>
    </link>

    <!-- 2.摄像头 link -->
    <link name="camera">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.02 0.05 0.05" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0.025" rpy="0 0 0" />
            <material name="camera_color">
                <color rgba="0 0 1 0.5" />
            </material>
        </visual>
    </link>

    <!-- 3.关节 -->
    <joint name="camera2base" type="continuous">
        <!-- 父级link -->
        <parent link="base_link"/>
        <!-- 子级link -->
        <child link="camera" />
        <!-- 需要计算两个 link 的物理中心之间的偏移量 -->
        <origin xyz="0.12 0 0.05" rpy="0 0 0" />
        <!-- 设置关节旋转参考的坐标轴-->
        <axis xyz="0 0 1" />
    </joint>

</robot>

<launch>

    <!-- 1. 在参数服务器载入 urdf 文件 -->
    <param name="robot_description" textfile="$(find urdf01_rviz)/urdf/urdf/demo03_joint.urdf" />
    <!-- 2. 启动 rviz -->
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf01_rviz)/config/show_mycar.rviz" /> 

    <!--
        只有上述2条语句：
            表现：摄像头显示位置与颜色异常
            提示：No transform [camera] to [base_link] 缺少 camera 到 base_link 的坐标变换
            原因：rviz 中显示 urdf 时，必须发布不同部件之间的 坐标系 关系
            解决：ros 中提供了关于机器人模型显示的坐标发布相关节点（两个）
    -->

    <!-- 添加关节状态发布节点 -->
    <node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher" />
    <!-- 添加机器人状态发布节点 -->
    <node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" />
    <!-- 可选:用于控制关节运动的节点 -->
    <node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" />

</launch>

base_footprint 优化 urdf：

前面实现的机器人模型是半沉到地下的，因为默认情况下: 底盘的中心点位于地图原点上，所以会导致这种情况产生，可以使用的优化策略，将初始 link 设置为一个尺寸极小的 link(比如半径为 0.001m 的球体，或边长为 0.001m 的立方体)，然后再在初始 link 上添加底盘等刚体，这样实现，虽然仍然存在初始link半沉的现象，但是基本可以忽略了。这个初始 link 一般称之为 base_footprint

<!-- 
    需求: 创建机器人模型，底盘为长方体，
         在长方体的前面添加一摄像头，
         摄像头可以沿着 Z 轴 360 度旋转
 -->
<robot name="mycar">

    <!-- 添加1个尺寸极小的 link ,
    再去关联初始 link 与 base_link ,
    关节的高度刚好和base_link 下沉的高度一致（半个底盘高度）-->
    <link name="base_footprint">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.001 0.001 0.001" />
            </geometry>
        </visual>
    </link>

    <!-- 1.底盘 link -->
    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.3 0.2 0.1" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="car_color">
                <color rgba="0.8 0.5 0 0.5" />
            </material>
        </visual>
    </link>

    <!-- 2.摄像头 link -->
    <link name="camera">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.02 0.05 0.05" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0.025" rpy="0 0 0" />
            <material name="camera_color">
                <color rgba="0 0 1 0.5" />
            </material>
        </visual>
    </link>

    <!--关联 base_footprint 与 base_link -->

    <joint name="link2footprint" type="fixed">
        <!-- 父级link -->
        <parent link="base_footprint"/>
        <!-- 子级link -->
        <child link="base_link" />
        <!-- 需要计算两个 link 的物理中心之间的偏移量 -->
        <origin xyz="0 0 0.05" rpy="0 0 0" />
    </joint>

    <!-- 3.关节 -->
    <joint name="camera2base" type="continuous">
        <!-- 父级link -->
        <parent link="base_link"/>
        <!-- 子级link -->
        <child link="camera" />
        <!-- 需要计算两个 link 的物理中心之间的偏移量 -->
        <origin xyz="0.12 0 0.05" rpy="0 0 0" />
        <!-- 设置关节旋转参考的坐标轴-->
        <axis xyz="0 0 1" />
    </joint>

</robot>

<launch>

    <!-- 1. 在参数服务器载入 urdf 文件 -->
    <param name="robot_description" textfile="$(find urdf01_rviz)/urdf/urdf/demo04_base_footprint.urdf" />
    <!-- 2. 启动 rviz -->
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf01_rviz)/config/show_mycar.rviz" /> 

    <!--
        只有上述2条语句：
            表现：摄像头显示位置与颜色异常
            提示：No transform [camera] to [base_link] 缺少 camera 到 base_link 的坐标变换
            原因：rviz 中显示 urdf 时，必须发布不同部件之间的 坐标系 关系
            解决：ros 中提供了关于机器人模型显示的坐标发布相关节点（两个）
    -->

    <!-- 添加关节状态发布节点 -->
    <node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher" />
    <!-- 添加机器人状态发布节点 -->
    <node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" />

</launch>

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