机器人建模与仿真

其他 2020-04-02 10:50:17 阅读次数: 0

urdf模型优化

一些概念

在这里插入图片描述

上图中以

  • base_link：基准
  • 红色：x轴
  • 绿色：y轴
  • 蓝色：z轴

origin:xyz

  • 以parent link为原点，child link的三维坐标系位置

origin:rpy 是child link：

  • 绕z轴旋转的滚动角(roll)
  • 绕y轴方向旋转的俯仰(pitch)角
  • 绕x轴旋转的偏转(yaw)角

在这里插入图片描述

  • <geometry>：定义link形状
  • <material>：定义link材料
  • <origin>：定义link相对于自己原来位置的变化

urdf描述机器人模型问题所在？

在这里插入图片描述

  • 模型冗长，重复多
  • 修改参数麻烦，不便于二次开发
  • 没有参数计算功能
  • 等等…

urdf模型的进化版本——xacro模型文件

在这里插入图片描述

  • 精简模型代码
    • 创建宏定义
    • 文件包含
  • 提供可编程接口
    • 常量
    • 变量
    • 条件语句
    • 数学计算

常量

常量定义

<xacro:property name="M_PI" value="3.14159" />

常量使用

<origin xyz="0 0 0" rpy="${M_PI/2} 0 0" />

样例

在这里插入图片描述

数学计算

<origin xyz="0 ${(motor_length+wheel_length)/2} 0" rpy="0 0 0" />

样例

在这里插入图片描述

宏定义

宏定义
<xacro:macro name="name" params="A B C">
...
</xacro:macro>
宏调用

<name A="A_value" B="B_value" C="C_value" />

样例

在这里插入图片描述

文件包含

xacro文件中也可包含其他的xacro文件，具体格式如下：
<xacro:include filename="$(find mbot_description)/urdf/xacro/mbot_base.xacro" />

样例

在这里插入图片描述

模型显示

将xacro文件转换成URDF文件后显示

rosrun xacro xacro.py mbot.xacro > mbot.urdf

直接调用xacro文件解析器
<arg name="model" default="$(find xacro)/xacro --inorder '$(find mbot_description)/urdf/xacro/mbot.xacro'" />

	<param name="robot_description" command="$(arg model)" />

在这里插入图片描述

gazebo物理仿真

在gazebo中仿真时需要添加以下内容：

  • 为每个link添加惯性参数以及碰撞参数
  • 为每个link添加gazebo标签
  • 为能动的joint添加传动和动力装置
  • 添加控制器插件

详细代码如下：（src3/mbot_description/urdf/xacro/gazebo/mbot_base_gazebo.xacro）

<?xml version="1.0"?>
<robot name="mbot" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro">

    <!-- PROPERTY LIST -->
    <xacro:property name="M_PI" value="3.1415926"/>
    <xacro:property name="base_mass"   value="20" /> 
    <xacro:property name="base_radius" value="0.20"/>
    <xacro:property name="base_length" value="0.16"/>

    <xacro:property name="wheel_mass"   value="2" />
    <xacro:property name="wheel_radius" value="0.06"/>
    <xacro:property name="wheel_length" value="0.025"/>
    <xacro:property name="wheel_joint_y" value="0.19"/>
    <xacro:property name="wheel_joint_z" value="0.05"/>

    <xacro:property name="caster_mass"    value="0.5" /> 
    <xacro:property name="caster_radius"  value="0.015"/> <!-- wheel_radius - ( base_length/2 - wheel_joint_z) -->
    <xacro:property name="caster_joint_x" value="0.18"/>

    <!-- Defining the colors used in this robot -->
    <material name="yellow">
        <color rgba="1 0.4 0 1"/>
    </material>
    <material name="black">
        <color rgba="0 0 0 0.95"/>
    </material>
    <material name="gray">
        <color rgba="0.75 0.75 0.75 1"/>
    </material>
    
    <!-- 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>

    <!-- Macro for robot wheel -->
    <xacro:macro name="wheel" params="prefix reflect">
        <joint name="${prefix}_wheel_joint" type="continuous">
            <origin xyz="0 ${reflect*wheel_joint_y} ${-wheel_joint_z}" rpy="0 0 0"/>
            <parent link="base_link"/>
            <child link="${prefix}_wheel_link"/>
            <axis xyz="0 1 0"/>
        </joint>

        <link name="${prefix}_wheel_link">
            <visual>
                <origin xyz="0 0 0" rpy="${M_PI/2} 0 0" />
                <geometry>
                    <cylinder radius="${wheel_radius}" length = "${wheel_length}"/>
                </geometry>
                <material name="gray" />
            </visual>
            <collision>
                <origin xyz="0 0 0" rpy="${M_PI/2} 0 0" />
                <geometry>
                    <cylinder radius="${wheel_radius}" length = "${wheel_length}"/>
                </geometry>
            </collision>
            <cylinder_inertial_matrix  m="${wheel_mass}" r="${wheel_radius}" h="${wheel_length}" />
        </link>

        <gazebo reference="${prefix}_wheel_link">
            <material>Gazebo/Gray</material>
        </gazebo>

        <!-- Transmission is important to link the joints and the controller -->
        <transmission name="${prefix}_wheel_joint_trans">
            <type>transmission_interface/SimpleTransmission</type>
            <joint name="${prefix}_wheel_joint" >
                <hardwareInterface>hardware_interface/VelocityJointInterface</hardwareInterface>
            </joint>
            <actuator name="${prefix}_wheel_joint_motor">
                <hardwareInterface>hardware_interface/VelocityJointInterface</hardwareInterface>
                <mechanicalReduction>1</mechanicalReduction>
            </actuator>
        </transmission>
    </xacro:macro>

    <!-- Macro for robot caster -->
    <xacro:macro name="caster" params="prefix reflect">
        <joint name="${prefix}_caster_joint" type="continuous">
            <origin xyz="${reflect*caster_joint_x} 0 ${-(base_length/2 + caster_radius)}" rpy="0 0 0"/>
            <parent link="base_link"/>
            <child link="${prefix}_caster_link"/>
            <axis xyz="0 1 0"/>
        </joint>

        <link name="${prefix}_caster_link">
            <visual>
                <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
                <geometry>
                    <sphere radius="${caster_radius}" />
                </geometry>
                <material name="black" />
            </visual>
            <collision>
                <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
                <geometry>
                    <sphere radius="${caster_radius}" />
                </geometry>
            </collision>      
            <sphere_inertial_matrix  m="${caster_mass}" r="${caster_radius}" />
        </link>

        <gazebo reference="${prefix}_caster_link">
            <material>Gazebo/Black</material>
        </gazebo>
    </xacro:macro>

    <xacro:macro name="mbot_base_gazebo">
        <link name="base_footprint">
            <visual>
                <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
                <geometry>
                    <box size="0.001 0.001 0.001" />
                </geometry>
            </visual>
        </link>
        <gazebo reference="base_footprint">
            <turnGravityOff>false</turnGravityOff>
        </gazebo>

        <joint name="base_footprint_joint" type="fixed">
            <origin xyz="0 0 ${base_length/2 + caster_radius*2}" rpy="0 0 0" />        
            <parent link="base_footprint"/>
            <child link="base_link" />
        </joint>

        <link name="base_link">
            <visual>
                <origin xyz=" 0 0 0" rpy="0 0 0" />
                <geometry>
                    <cylinder length="${base_length}" radius="${base_radius}"/>
                </geometry>
                <material name="yellow" />
            </visual>
            <collision>
                <origin xyz=" 0 0 0" rpy="0 0 0" />
                <geometry>
                    <cylinder length="${base_length}" radius="${base_radius}"/>
                </geometry>
            </collision>   
            <cylinder_inertial_matrix  m="${base_mass}" r="${base_radius}" h="${base_length}" />
        </link>

        <gazebo reference="base_link">
            <material>Gazebo/Blue</material>
        </gazebo>

        <wheel prefix="left"  reflect="-1"/>
        <wheel prefix="right" reflect="1"/>

        <caster prefix="front" reflect="-1"/>
        <caster prefix="back"  reflect="1"/>

        <!-- controller -->
        <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_wheel_joint</leftJoint>
                <rightJoint>right_wheel_joint</rightJoint>
                <wheelSeparation>${wheel_joint_y*2}</wheelSeparation>
                <wheelDiameter>${2*wheel_radius}</wheelDiameter>
                <broadcastTF>1</broadcastTF>
                <wheelTorque>30</wheelTorque>
                <wheelAcceleration>1.8</wheelAcceleration>
                <commandTopic>cmd_vel</commandTopic>
                <odometryFrame>odom</odometryFrame> 
                <odometryTopic>odom</odometryTopic> 
                <robotBaseFrame>base_footprint</robotBaseFrame>
            </plugin>
        </gazebo> 
    </xacro:macro>

</robot>

在Gazebo工作前，我们需要安装ROS功能包与Gazebo通信：
sudo apt-get install ros-kinetic-gazebo-ros-pkgs ros-kinetic-gazebo-ros-control

配置机器人物理模型

为link添加惯性参数和碰撞属性

在这里插入图片描述

为link添加gazebo标签

在这里插入图片描述

为joint添加传动装置

在这里插入图片描述

添加gazebo控制器插件

在这里插入图片描述

  • <robotNamespace>：机器人的命名空间
  • <leftJoint>和<rightJoint>：左右轮转动的关节joint
  • <wheelSeparation>和<wheelDiameter>：机器人模型的相关尺寸，在计算差速参数时需要用到
  • <commandTopic>：控制器订阅的速度控制指令，生成全局命令时需要结合<robotNamespace>中设置的命名空间
  • <odometryFrame>：里程计数据的参考坐标系，ROS中一般都命名为odom
在gazebo中加载机器人模型

参看src3/mbot_gazebo/launch/view_mbot_gazebo_empty_world.launch

<launch>

    <!-- 设置launch文件的参数 -->
    <arg name="paused" default="false"/>
    <arg name="use_sim_time" default="true"/>
    <arg name="gui" default="true"/>
    <arg name="headless" default="false"/>
    <arg name="debug" default="false"/>

    <!-- 运行gazebo仿真环境 -->
    <include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch">
        <arg name="debug" value="$(arg debug)" />
        <arg name="gui" value="$(arg gui)" />
        <arg name="paused" value="$(arg paused)"/>
        <arg name="use_sim_time" value="$(arg use_sim_time)"/>
        <arg name="headless" value="$(arg headless)"/>
    </include>

    <!-- 加载机器人模型描述参数 -->
    <param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro --inorder '$(find mbot_description)/urdf/xacro/gazebo/mbot_gazebo.xacro'" /> 

    <!-- 运行joint_state_publisher节点，发布机器人的关节状态  -->
    <node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" ></node> 

    <!-- 运行robot_state_publisher节点，发布tf  -->
    <node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher"  output="screen" >
        <param name="publish_frequency" type="double" value="50.0" />
    </node>

    <!-- 在gazebo中加载机器人模型-->
    <node name="urdf_spawner" pkg="gazebo_ros" type="spawn_model" respawn="false" output="screen"
          args="-urdf -model mrobot -param robot_description"/> 

</launch>

创建仿真环境

空环境中的机器人

运行命令roslaunch mbot_gazebo view_mbot_gazebo_empty_world.launch
在这里插入图片描述
建议：为保证模型顺利加载，请体检将模型文件库下载并放置到~/.gazebo/models
库文件位置：https://bitbucket.org/osrf/gazebo_models/downloads/

添加物体模型

在这里插入图片描述

开始仿真

启动仿真环境 roslaunch mbot_gazebo view_mbot_gazebo_play_ground.launch

在这里插入图片描述

启动键盘控制 roslaunch mbot_teleop mbot_teleop.launch

控制键位说明

  • i：前进
  • ,：后退
  • j：左转
  • l：右转
  • k：急停
  • u：前进左转
  • o：前进右转
  • m：后退左转
  • .：后退右转

注意：进行键盘控制时，下面窗口一定要为当前活动窗口
在这里插入图片描述

传感器仿真

摄像头仿真

  • <sensor>标签：描述传感器
    • type：传感器类型：camera
    • name：摄像头命名，自由设置
  • <camera>标签：描述摄像头参数
    • 分辨率
    • 编码格式
    • 图像范围
    • 噪音参数
    • 等等…
  • <plugin>标签：加载摄像头仿真插件libgazebo_ros_camera.so
    • 设置插件的命名空间
    • 发布图像的话题
    • 参考坐标系

关于相机的描述位置：src3/mbot_description/urdf/xacro/sensors/camera_gazebo.xacro

<?xml version="1.0"?>
<robot xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro" name="camera">

    <xacro:macro name="usb_camera" params="prefix:=camera">
        <!-- Create laser reference frame -->
        <link name="${prefix}_link">
            <inertial>
                <mass value="0.1" />
                <origin xyz="0 0 0" />
                <inertia ixx="0.01" ixy="0.0" ixz="0.0"
                         iyy="0.01" iyz="0.0"
                         izz="0.01" />
            </inertial>

            <visual>
                <origin xyz=" 0 0 0 " rpy="0 0 0" />
                <geometry>
                    <box size="0.01 0.04 0.04" />
                </geometry>
                <material name="black"/>
            </visual>

            <collision>
                <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0 0 0" />
                <geometry>
                    <box size="0.01 0.04 0.04" />
                </geometry>
            </collision>
        </link>
        <gazebo reference="${prefix}_link">
            <material>Gazebo/Black</material>
        </gazebo>

        <gazebo reference="${prefix}_link">
            <sensor type="camera" name="camera_node">
                <update_rate>30.0</update_rate>
                <camera name="head">
                    <horizontal_fov>1.3962634</horizontal_fov>
                    <image>
                        <width>1280</width>
                        <height>720</height>
                        <format>R8G8B8</format>
                    </image>
                    <clip>
                        <near>0.02</near>
                        <far>300</far>
                    </clip>
                    <noise>
                        <type>gaussian</type>
                        <mean>0.0</mean>
                        <stddev>0.007</stddev>
                    </noise>
                </camera>
                <plugin name="gazebo_camera" filename="libgazebo_ros_camera.so">
                    <alwaysOn>true</alwaysOn>
                    <updateRate>0.0</updateRate>
                    <cameraName>/camera</cameraName>
                    <imageTopicName>image_raw</imageTopicName>
                    <cameraInfoTopicName>camera_info</cameraInfoTopicName>
                    <frameName>camera_link</frameName>
                    <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>

    </xacro:macro>
</robot>

启动仿真环境：roslaunch mbot_gazebo view_mbot_with_camera_gazebo.launch
在这里插入图片描述
查看摄像头仿真图像 rqt_image_view
在这里插入图片描述

RGB-D摄像头仿真（kinect）
关于kinect相机的描述文件位置：src3/mbot_description/urdf/xacro/sensors/kinect_gazebo.xacro

<?xml version="1.0"?>
<robot xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro" name="kinect_camera">

    <xacro:macro name="kinect_camera" params="prefix:=camera">
        <!-- Create kinect reference frame -->
        <!-- Add mesh for kinect -->
        <link name="${prefix}_link">
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
            <visual>
                <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 ${M_PI/2}"/>
                <geometry>
                    <mesh filename="package://mbot_description/meshes/kinect.dae" />
                </geometry>
            </visual>
            <collision>
                <geometry>
                    <box size="0.07 0.3 0.09"/>
                </geometry>
            </collision>
        </link>

        <joint name="${prefix}_optical_joint" type="fixed">
            <origin xyz="0 0 0" rpy="-1.5708 0 -1.5708"/>
            <parent link="${prefix}_link"/>
            <child link="${prefix}_frame_optical"/>
        </joint>

        <link name="${prefix}_frame_optical"/>

        <gazebo reference="${prefix}_link">
            <sensor type="depth" name="${prefix}">
                <always_on>true</always_on>
                <update_rate>20.0</update_rate>
                <camera>
                    <horizontal_fov>${60.0*M_PI/180.0}</horizontal_fov>
                    <image>
                        <format>R8G8B8</format>
                        <width>640</width>
                        <height>480</height>
                    </image>
                    <clip>
                        <near>0.05</near>
                        <far>8.0</far>
                    </clip>
                </camera>
                <plugin name="kinect_${prefix}_controller" filename="libgazebo_ros_openni_kinect.so">
                    <cameraName>${prefix}</cameraName>
                    <alwaysOn>true</alwaysOn>
                    <updateRate>10</updateRate>
                    <imageTopicName>rgb/image_raw</imageTopicName>
                    <depthImageTopicName>depth/image_raw</depthImageTopicName>
                    <pointCloudTopicName>depth/points</pointCloudTopicName>
                    <cameraInfoTopicName>rgb/camera_info</cameraInfoTopicName>
                    <depthImageCameraInfoTopicName>depth/camera_info</depthImageCameraInfoTopicName>
                    <frameName>${prefix}_frame_optical</frameName>
                    <baseline>0.1</baseline>
                    <distortion_k1>0.0</distortion_k1>
                    <distortion_k2>0.0</distortion_k2>
                    <distortion_k3>0.0</distortion_k3>
                    <distortion_t1>0.0</distortion_t1>
                    <distortion_t2>0.0</distortion_t2>
                    <pointCloudCutoff>0.4</pointCloudCutoff>
                </plugin>
            </sensor>
        </gazebo>

    </xacro:macro>
</robot>

启动仿真环境：roslaunch mbot_gazebo view_mbot_with_kinect_gazebo.launch
在这里插入图片描述
输入命令：rviz
将Fixed Frame选为kinect_link
用add添加：pointCloud2消息
在这里插入图片描述

激光雷达仿真
关于激光雷达的描述文件位置：src3/mbot_description/urdf/xacro/sensors/lidar_gazebo.xacro

<?xml version="1.0"?>
<robot xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro" name="laser">

    <xacro:macro name="rplidar" params="prefix:=laser">
        <!-- Create laser reference frame -->
        <link name="${prefix}_link">
            <inertial>
                <mass value="0.1" />
                <origin xyz="0 0 0" />
                <inertia ixx="0.01" ixy="0.0" ixz="0.0"
                         iyy="0.01" iyz="0.0"
                         izz="0.01" />
            </inertial>

            <visual>
                <origin xyz=" 0 0 0 " rpy="0 0 0" />
                <geometry>
                    <cylinder length="0.05" radius="0.05"/>
                </geometry>
                <material name="black"/>
            </visual>

            <collision>
                <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0 0 0" />
                <geometry>
                    <cylinder length="0.06" radius="0.05"/>
                </geometry>
            </collision>
        </link>
        <gazebo reference="${prefix}_link">
            <material>Gazebo/Black</material>
        </gazebo>

        <gazebo reference="${prefix}_link">
            <sensor type="ray" name="rplidar">
                <pose>0 0 0 0 0 0</pose>
                <visualize>false</visualize>
                <update_rate>5.5</update_rate>
                <ray>
                    <scan>
                      <horizontal>
                        <samples>360</samples>
                        <resolution>1</resolution>
                        <min_angle>-3</min_angle>
                        <max_angle>3</max_angle>
                      </horizontal>
                    </scan>
                    <range>
                      <min>0.10</min>
                      <max>6.0</max>
                      <resolution>0.01</resolution>
                    </range>
                    <noise>
                      <type>gaussian</type>
                      <mean>0.0</mean>
                      <stddev>0.01</stddev>
                    </noise>
                </ray>
                <plugin name="gazebo_rplidar" filename="libgazebo_ros_laser.so">
                    <topicName>/scan</topicName>
                    <frameName>laser_link</frameName>
                </plugin>
            </sensor>
        </gazebo>

    </xacro:macro>
</robot>

启动仿真环境：roslaunch mbot_gazebo view_mbot_with_laser_gazebo.launch
在这里插入图片描述
在rviz中查看激光雷达信息
在这里插入图片描述

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