系列文章目录
前言
Author: Sherif Fathey, Toqa Essam
Review: KG
以下是机器人上传感器的清晰列表：
- 二维激光雷达（A2 RPLIDAR）： 提供 360 度距离测量，创建机器人周围环境的二维地图，对于障碍物探测和绘图至关重要。
- 摄像头（RealSense D435）： 捕捉深度和彩色图像，用于高级感知任务，包括物体识别和空间理解。
- IMU（MPU 6050）： 测量加速度和角速度，提供方向和移动数据，对稳定和导航至关重要。
- 超声波传感器（HC-SR04）： 利用声波测量与附近物体的距离，对避免碰撞和距离感应非常有用。
- 全球定位系统（NEO-6）： 通过连接全球卫星网络提供位置数据，实现精确的位置跟踪和导航。
一、安装 SolidWorks 到 URDF 输出插件
要将 SolidWorks 模型导出为 URDF 文件以便在 ROS 中使用，您需要安装相应的 URDF 导出器插件。请按照以下步骤，根据您的 SolidWorks 版本安装正确的插件。
1.1 确定您的 SolidWorks 版本：
检查您的 SolidWorks 版本（2019、2020、2021 或更高版本）。根据您的版本，URDF 导出器有不同的版本，因此选择正确的版本非常重要。
1.2 下载正确的 URDF 导出器插件：
适用于 SolidWorks 2021 及更高版本（2022 及更高版本）：
下载 1.6.1 版 URDF 导出器。
此版本与 SolidWorks 2021 兼容，也可用于 SolidWorks 的更高版本（如 2022）。
适用于 SolidWorks 2020：
下载 1.6.0 版 URDF 输出程序。
对于 SolidWorks 2019（在 2018 SP 5 上）：
下载 1.5.1 版 URDF 输出程序。
1.3 运行安装程序：
下载正确版本后，解压文件并找到 setup.exe 安装程序。
右键单击安装程序并选择以管理员身份运行。
按照屏幕提示完成安装
1.4 在 SolidWorks 中启用插件：
启动 SolidWorks .
导航至 “工具”>“插件”。
在 “插件 ”菜单中，找到 URDF 输出插件，并通过选中 “活动插件 ”和 “启动 ”将其启用。
1.5 验证安装：
激活后，您应在 SolidWorks 工具栏中看到一个标有 URDF Exporter 的新选项卡。
如果该选项卡可见，则说明插件已安装并准备就绪
二、创建用于导出 URDF 的坐标系
为机器人的每个部件创建精确的坐标系对于正确导出 URDF 至关重要。坐标系应遵循 REP 103 中定义的标准 ROS 约定，以确保在 RViz 和 Gazebo 等仿真环境中的正确转换和行为。
2.1 REP 103：标准计量单位和坐标约定
根据 REP 103：标准计量单位和坐标约定，ROS 中的标准坐标系约定如下：
定义原点：在零件中心建立一个参考点。
根据 REP 103 对齐坐标轴：
- X 轴 ： 指向前方（机器人的前进方向，或 “前方”）。
- Y 轴 ： 指向机器人的左侧。
- Z 轴 ： 指向上方（朝向天空）。
模拟测试 ： 在 RViz 或 Gazebo 中加载 URDF 模型，验证转换和方向是否符合 REP 103 的要求。
2.2 创建和对齐坐标系的步骤：
创建 Base Link 坐标系（质量中心）
2.2.1 打开 “参考几何体”>“质量中心”，以定位 CoM。
首先选择 Base Link 的质量中心 (COM) 作为坐标系的原点。这样可确保坐标系以机器人底座最平衡点为中心。
2.2.2 创建坐标系
导航至 “参考几何体 ”工具并选择 “坐标系”。通过该工具，我们可以在 Base Link 处定义新的坐标系。
设置轴对齐 ：
现在，我们需要确保坐标系的轴线符合 ROS 的约定。为此
- Z 轴应朝上。点击底座链接的上表面或机器人任何朝上的部分，确保 Z 轴指向正确方向。
- X 轴应指向前方 . 单击底座连接件的前表面，使 X 轴朝前（机器人向前运动的方向）。
- Y 轴应指向左侧 。Y 轴应自动调整为与 X 轴和 Z 轴垂直，指向左侧。
验证坐标系 ：
分配坐标轴后，请务必直观地查看坐标系。您应该看到
- Z 轴向上（朝向天空或机器人顶部）。
- X 轴指向前方（机器人的运动方向）。
- Y 轴指向左侧。
2.3 创建车轮坐标系的步骤
2.3.1 在车轮中心创建一个点：
导航至 “参考几何体”>“点 ”选项卡，在车轮中心创建一个参考点。该点将作为车轮坐标系的原点。
2.3.2 使用中心点创建坐标系：
一旦定义了中心点，就可以创建与车轮预期运动对齐的坐标系。
转到 “参考几何体 ”选项卡并选择 “坐标系”。
将坐标系的原点设置为刚刚创建的中心点。
2.4 设置轴对齐 ：
现在，我们需要确保坐标系的轴线符合 ROS 的约定。为此
- Z轴应朝上。点击底座链接的上表面或机器人朝上的任何部分，确保 Z 轴指向正确方向。
- X 轴应指向前方 . 单击底座连接件的前表面，使 X 轴朝前（机器人向前运动的方向）。
- Y轴应指向左侧 。该轴至关重要，因为它是机器人偏航的旋转轴。Y 轴将自动调整为与 X 轴和 Z 轴垂直，确保其指向机器人左侧，并支持模拟中的正确旋转行为。
三、设置车轮的旋转轴
在这一步中，我们将为机器人创建旋转轴。按照 ROS 的惯例，Y 轴代表偏航（绕垂直轴旋转）的轴线。下面介绍如何设置旋转轴：
3.1 创建旋转轴的步骤
3.1.1 隐藏车轮组件：
首先，在 CAD 模型中隐藏机器人的轮子，以便更好地显示 Base Link 和坐标系。这样可以更容易地定义旋转轴，而不受其他部件的干扰。
3.1.2 使用参考几何体 ：
导航至 “参考几何体 ”工具并选择 “轴”。该工具允许您根据机器人 Base Link 的几何形状定义旋转轴。
3.1.3 选择旋转轮轴：
在这一步中，您需要选择车轮的轴来定义车轮的旋转轴，而不是只选择机器人底座链接的 Y 轴。该轴将作为车轮的旋转轴。
选择轴的圆柱面或车轮安装点的圆边。这样可以确保旋转轴与车轮的实际运动正确对齐。
轴线应指向车轮的 Y 轴，因为这是车轮的旋转方向。
四、为传感器创建坐标系的步骤
传感器是机器人感知和导航的重要组成部分，正确定义其坐标系至关重要。正确的传感器对齐可确保传感器数据（如摄像头或激光雷达扫描）在 ROS 和 Gazebo 仿真中的正确方向。在本步骤中，您将学习如何为摄像头或激光雷达等传感器创建坐标系，确保它们遵循正确的约定。
4.1 传感器坐标系为何重要？
传感器为机器人提供数据，而数据的准确性取决于传感器在机器人坐标系中的正确方向。
传感器的坐标系定义了传感器的安装位置，以及 ROS 将如何解释其数据（如摄像头图像或激光扫描）。
正确对齐的坐标系对于测绘、定位和物体检测等任务至关重要。
4.2 创建激光雷达坐标系 ：
4.2.1 在激光雷达的光圈处创建一个点：
光圈是激光雷达光束的发源地。您需要在此位置创建一个参考点，作为激光雷达坐标系的原点。
步骤 ：
使用 “参考几何体”>“点 ”选项卡在激光雷达的光圈处创建一个参考点（通常是扫描平面的中心或发射光束的原点）。
确保该点位于激光雷达扫描区域的精确中心，因为这将是激光雷达坐标系的参考点。
4.2.2 使用激光雷达的光圈创建坐标系 ：
创建点之后，现在可以使用光圈作为原点定义坐标系。
然后，将原点设置为刚刚在激光雷达孔径处创建的点
五、将设计导出为 URDF
设置好所有坐标系和旋转轴后，请按照以下步骤将 SolidWorks 模型导出为 URDF 文件，以便与 ROS 和 Gazebo 集成
5.1 打开 URDF 导出器 ：
- 在 SolidWorks 中，转到工具选项卡。
- 找到 URDF 输出程序扩展
从 Base Link 开始
- 选择坐标系：首先选择为 Base Link 创建的坐标系。
- 设置 Base Link
- 添加 Child Links
添加车轮 Links
- 为每个车轮选择在车轮轴上创建的坐标系。
- 将车轮作为 Child Links 添加到 Base Link。
- 确保每个车轮都根据其坐标系和旋转轴正确定位和定向
添加传感器 Links
- 选择坐标系
- 指定关节类型 :传感器链接使用固定关节。
5.2 导出完整的 URDF
预览和导出
单击 URDF 导出器中的预览和导出按钮，查看生成的 URDF 文件。
- 确保预览中显示的一切符合预期。
- 如果满意，单击 “预览和导出 ”按钮生成最终 URDF 文件。
保存文件 ：
选择一个位置来保存导出的 URDF 文件以及任何相关文件（如网格、纹理）。
导出过程将创建一个包含 URDF 文件、网格和任何启动文件的文件夹。
从 SolidWorks 导出后，打开此软件包，您将看到一系列重要文件和目录，它们构成了机器人项目的主干。以下是您将发现的内容：
├── CMakeLists.txt # Build configuration for the project
├── config
│ └── joint_names_arabian_robot.yaml # Configuration for joint names
├── export.log # Export log from SolidWorks
├── launch # Launch files for various purposes
│ ├── display.launch # Visualization launch file
│ └── gazebo.launch # Gazebo simulation launch file
├── meshes # 3D models for robot components
│ ├── 2d_lidar.STL # Lidar sensor mesh
│ ├── arabian_link.STL # Main robot body mesh
│ ├── base_link.STL # Base link of the robot
│ ├── camera_link.STL # Camera attachment mesh
│ ├── front_left_wheel.STL # Front left wheel mesh
│ ├── front_right_wheel.STL # Front right wheel mesh
│ ├── gps_Link.STL # GPS module attachment mesh
│ ├── imu_Link.STL # IMU sensor link mesh
│ ├── lidar_link.STL # Lidar sensor link mesh
│ ├── plug_collision.stl # Collision geometry for plug
│ ├── plug.stl # Charging plug mesh
│ ├── realsenseD435.dae # RealSense camera model
│ ├── rear_left_wheel.STL # Rear left wheel mesh
│ ├── rear_right_wheel.STL # Rear right wheel mesh
│ ├── rear_ultrasonic_link.STL # Rear ultrasonic sensor link mesh
│ ├── rear_ultrasonic.STL # Rear ultrasonic sensor mesh
│ ├── ultrasonic_link.STL # Ultrasonic sensor link mesh
│ └── upper_Link.STL # Upper robot body part mesh
├── package.xml # ROS package manifest
├── readme.md # Documentation for this package
├── textures # Placeholder for any textures used in the models
└── urdf # Robot description files in URDF/Xacro format
├── arabian_robot.csv # CSV data related to robot configuration
└── arabian_robot.urdf # Main URDF file in Xacro format注：该结构提供了使机器人栩栩如生所需的一切--从物理模型到用于模拟和现实世界交互的启动文件！
5.3 编辑 URDF 结构和启动文件
URDF 文件： 我们将把 arabian_robot.urdf 文件分为两个独立文件 arabian_robot.urdf.xacro , sensor.xacro
- 创建 arabian_robot.urdf.xacro： 编辑此文件以定义机器人的主体。这包括指定机器人的物理结构和组件。
- 创建 sensor.xacro： 在此文件中定义机器人上的传感器。文件中应说明每个传感器的位置和属性。
- 创建 plugin.gazebo： 添加此文件以指定机器人所需的任何 Gazebo 插件。这可能包括用于模拟目的的插件，如摄像头传感器或控制器。
更多详情，请参阅我们在插件部分的说明 arab meet/plugins.md。
5.3.1 添加 GPS 插件
安装必要的 ROS 软件包：打开终端并运行以下命令来安装 GPS 所需的 Gazebo 插件：
sudo apt-get install ros-noetic-hector-gazebo-plugins将 GPS 插件添加到 Gazebo 模型中： 接下来，在机器人的 URDF 文件中加入以下插件构型，以集成 GPS 功能：
<gazebo>
<plugin name="gazebo_ros_gps" filename="libhector_gazebo_ros_gps.so">
<updateRate>4.0</updateRate>
<bodyName>gps_Link</bodyName>
<frameId>gps_Link</frameId>
<topicName>/gps/fix</topicName>
<velocityTopicName>/gps/fix_velocity</velocityTopicName>
<referenceLatitude>-30.06022459407145675</referenceLatitude>
<referenceLongitude>-51.173913575780311191</referenceLongitude>
<referenceHeading>90</referenceHeading>
<referenceAltitude>10</referenceAltitude>
<offset>0 0 0</offset>
<drift>0.001 0.001 0.001</drift>
<gaussianNoise>0.05 0.05 0.05</gaussianNoise>
<velocityDrift>0.001 0.001 0.001</velocityDrift>
<velocityGaussianNoise>0.5 0.5 0.5</velocityGaussianNoise>
</plugin>
</gazebo>要查找您所在位置的经纬度，请访问本网站： GPS 坐标。只需输入您的位置，网站就会为您提供相应的经纬度值。
启动文件：
我们有两个启动文件：display.launch 用于在 RViz 中启动机器人，以实现可视化；gazebo.launch 用于在 Gazebo 仿真中启动机器人。接下来，我们将 创建 robot_description.launch，以同时运行 Gazebo 和 RViz。
5.3.2 在 Gazebo 中为您的机器人定制材料和纹理
要在 Gazebo 中创建一个白色部件，请按照以下步骤操作：
创建材质文件：
打开终端，创建新的材质文件：
nano white_material.material然后，将这些内容粘贴到文件中：
material WhiteMaterial
{
technique
{
pass
{
ambient 1 1 1 1
diffuse 1 1 1 1
specular 1 1 1 1
emissive 1 1 1 1
}
}
}该文件定义了机器人模型的白色材料（WhiteMaterial），具体说明了它对光线的反应：
- 环境光： 反射环境光（白色）。
- 漫反射：反射直射光（白色）。
- 镜面反射： 添加闪亮高光（白色）。
- 发射：使表面发光（白色）： 使表面发光（白色）。这将在模拟中为机器人创建明亮的白色发光效果。
将材质文件复制到 Gazebo matrial：将 white_material.material 文件复制到 Gazebo 的材质脚本目录：使用此命令
cp white_material.material /usr/share/gazebo-11/media/materials/scripts/如果遇到权限拒绝错误，请使用 sudo 获取必要的权限：
sudo cp white_material.material /usr/share/gazebo-11/media/materials/scripts/在您的URDF中应用白色材料： 要将材料应用到机器人上，请将其添加到 URDF 文件中：
<gazebo reference="upper_Link">
<material>WhiteMaterial</material>
</gazebo>5.3.3 为机器人添加自定义徽标
请按照以下步骤应用自定义徽标纹理：
创建徽标材质文件：
打开终端，为徽标创建材质文件：
nano logo.material然后，将这些内容粘贴到文件中：
material testing/material
{
technique
{
pass
{
ambient 1 1 1 1
diffuse 1 1 1 1
specular 1 1 1 1
emissive 1 1 1 1
texture_unit
{
texture logo.png
}
}
}
}该材质脚本定义了表面在 3D 环境中的外观：
- 材质名称：测试/材质
- 颜色属性：环境、漫反射、镜面和发射都设置为白色（1 1 1 1），这意味着该材质看起来完全是白色的。
- 纹理 在表面应用纹理图像 logo.png。
将材质文件复制到 gazebo matrial：
将 logo.material 文件复制到 Gazebo 的材质脚本目录下：
sudo cp logo.material /usr/share/gazebo-11/media/materials/scripts/复制徽标图像：
将徽标图像复制到 Gazebo 的材质纹理目录中：
sudo cp logo.png /usr/share/gazebo-11/media/在URDF中应用徽标： 更新 URDF 文件，在需要徽标的机器人部件中引用新材料：
<gazebo reference="logo">
<material>testing/material</material>
</gazebo>将 “徽标 ”替换为机器人上徽标所在位置的适当参考值。
按照以上步骤，您就可以在 Gazebo 中为机器人添加自定义材质和纹理，包括徽标。
六、设置和运行机器人的步骤
6.1 创建和构建工作区
首先，创建 ROS 工作区并克隆机器人软件包：
mkdir -p catkin_ws/src
cd ~/catkin_ws/src
catkin_init_workspace
cd ..
catkin_make同时运行 Gazebo 和 RViz
要同时启动 Gazebo 模拟和 RViz 可视化，请使用下面的命令：
roslaunch arabian_robot robot_description.launch