【ROS学习笔记15】ROS仿真常用组件URDF集成rviz

文章目录

【ROS学习笔记15】ROS仿真常用组件URDF集成rviz
- 前言
- 1.URDF集成Rviz基本流程
- 2. URDF语法详解
- - 2.1 URDF语法详解——robot
  - 2.2 URDF语法详解——link
  - 2.3 URDF语法详解——joint
  - 2.4 URDF练习
  - 2.5 URDF工具
- Reference

写在前面，本系列笔记参考的是AutoLabor的教程，具体项目地址在这里

前言

1.URDF

URDF是 Unified Robot Description Format 的首字母缩写，直译为统一(标准化)机器人描述格式，可以以一种 XML 的方式描述机器人的部分结构，比如底盘、摄像头、激光雷达、机械臂以及不同关节的自由度…,该文件可以被 C++ 内置的解释器转换成可视化的机器人模型，是 ROS 中实现机器人仿真的重要组件

2.rviz

RViz 是 ROS Visualization Tool 的首字母缩写，直译为ROS的三维可视化工具。它的主要目的是以三维方式显示ROS消息，可以将数据进行可视化表达。例如:可以显示机器人模型，可以无需编程就能表达激光测距仪（LRF）传感器中的传感器到障碍物的距离，RealSense、Kinect或Xtion等三维距离传感器的点云数据（PCD， Point Cloud Data），从相机获取的图像值等

以“ros- [ROS_DISTRO] -desktop-full”命令安装ROS时，RViz会默认被安装。

运行使用命令rviz或rosrun rviz rviz

如果rviz没有安装，请调用如下命令自行安装:

sudo apt install ros-[ROS_DISTRO]-rviz

3.gazebo

Gazebo是一款3D动态模拟器，用于显示机器人模型并创建仿真环境,能够在复杂的室内和室外环境中准确有效地模拟机器人。与游戏引擎提供高保真度的视觉模拟类似，Gazebo提供高保真度的物理模拟，其提供一整套传感器模型，以及对用户和程序非常友好的交互方式。

以“ros- [ROS_DISTRO] -desktop-full”命令安装ROS时，gzebo会默认被安装。

运行使用命令gazebo或rosrun gazebo_ros gazebo

**注意1:**在 Ubuntu20.04 与 ROS Noetic 环境下，gazebo 启动异常以及解决

**问题1:**VMware: vmw_ioctl_command error Invalid argument(无效的参数)

解决:

echo "export SVGA_VGPU10=0" >> ~/.bashrc

source .bashrc
问题2:[Err] [REST.cc:205] Error in REST request

解决:sudo gedit ~/.ignition/fuel/config.yaml

然后将url : https://api.ignitionfuel.org使用 # 注释

再添加url: https://api.ignitionrobotics.org
**问题3:**启动时抛出异常:[gazebo-2] process has died [pid xxx, exit code 255, cmd.....

解决:killall gzserver和killall gzclient

**注意2:**如果 gazebo没有安装，请自行安装:

1.添加源:

sudo sh -c 'echo "deb http://packages.osrfoundation.org/gazebo/ubuntu-stable `lsb_release -cs` main" 
>
 /etc/apt/sources.list.d/gazebo-stable.list'
wget http://packages.osrfoundation.org/gazebo.key -O - | sudo apt-key add -

2.安装：

sudo apt update
sudo apt install gazebo11 
sudo apt install libgazebo11-dev

机器人的系统仿真是一种集成实现，主要包含三部分:

URDF 用于创建机器人模型
Gzebo 用于搭建仿真环境
Rviz 图形化的显示机器人各种传感器感知到的环境信息

三者应用中，只是创建 URDF 意义不大，一般需要结合 Gazebo 或 Rviz 使用，在 Gazebo 或 Rviz 中可以将 URDF 文件解析为图形化的机器人模型，一般的使用组合为:

如果非仿真环境，那么使用 URDF 结合 Rviz 直接显示感知的真实环境信息
如果是仿真环境，那么需要使用 URDF 结合 Gazebo 搭建仿真环境，并结合 Rviz 显示感知的虚拟环境信息

1.URDF集成Rviz基本流程

前面介绍过，URDF 不能单独使用，需要结合 Rviz 或 Gazebo，URDF 只是一个文件，需要在 Rviz 或 Gazebo 中渲染成图形化的机器人模型，当前，首先演示URDF与Rviz的集成使用，因为URDF与Rviz的集成较之于URDF与Gazebo的集成更为简单，后期，基于Rviz的集成实现，我们再进一步介绍URDF语法。

需求描述:

在 Rviz 中显示一个盒状机器人

结果演示:

实现流程：

准备:新建功能包，导入依赖
核心:编写 urdf 文件
核心:在 launch 文件集成 URDF 与 Rviz
在 Rviz 中显示机器人模型

1.创建功能包，导入依赖

创建一个新的功能包，名称自定义，导入依赖包:urdf与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

2.编写 URDF 文件

新建一个子级文件夹:urdf(可选)，文件夹中添加一个.urdf文件,复制如下内容:

<robot name="mycar">
    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.5 0.2 0.1" />
            </geometry>
        </visual>
    </link>
</robot>

3.在 launch 文件中集成 URDF 与 Rviz

在launch目录下，新建一个 launch 文件，该 launch 文件需要启动 Rviz，并导入 urdf 文件，Rviz 启动后可以自动载入解析urdf文件，并显示机器人模型，核心问题:如何导入 urdf 文件? 在 ROS 中，可以将 urdf 文件的路径设置到参数服务器，使用的参数名是:robot_description,示例代码如下:

<launch>

    <!-- 设置参数 -->
    <param name="robot_description" textfile="$(find 包名)/urdf/urdf/urdf01_HelloWorld.urdf" />

    <!-- 启动 rviz -->
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" />

</launch>

4.在 Rviz 中显示机器人模型

rviz 启动后，会发现并没有盒装的机器人模型，这是因为默认情况下没有添加机器人显示组件，需要手动添加，添加方式如下:

设置完毕后，可以正常显示了

5.优化 rviz 启动

重复启动launch文件时，Rviz 之前的组件配置信息不会自动保存，需要重复执行步骤4的操作，为了方便使用，可以使用如下方式优化:

首先，将当前配置保存进config目录

然后，launch文件中 Rviz 的启动配置添加参数:args,值设置为-d 配置文件路径

<launch>
    <param name="robot_description" textfile="$(find 包名)/urdf/urdf/urdf01_HelloWorld.urdf" />
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find 报名)/config/rviz/show_mycar.rviz" />
</launch>

再启动时，就可以包含之前的组件配置了，使用更方便快捷。

2. URDF语法详解

URDF 文件是一个标准的 XML 文件，在 ROS 中预定义了一系列的标签用于描述机器人模型，机器人模型可能较为复杂，但是 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)，接下来我们就通过案例了解一下 URDF 中的不同标签:

robot 根标签，类似于 launch文件中的launch标签
link 连杆标签
joint 关节标签
gazebo 集成gazebo需要使用的标签

关于gazebo标签，后期在使用 gazebo 仿真时，才需要使用到，用于配置仿真环境所需参数，比如: 机器人材料属性、gazebo插件等，但是该标签不是机器人模型必须的，只有在仿真时才需设置

2.1 URDF语法详解——robot

robot

urdf 中为了保证 xml 语法的完整性，使用了robot标签作为根标签，所有的 link 和 joint 以及其他标签都必须包含在 robot 标签内,在该标签内可以通过 name 属性设置机器人模型的名称

1.属性

name: 指定机器人模型的名称

2.子标签

其他标签都是子级标签

2.2 URDF语法详解——link

link

urdf 中的 link 标签用于描述机器人某个部件(也即刚体部分)的外观和物理属性，比如: 机器人底座、轮子、激光雷达、摄像头…每一个部件都对应一个 link, 在 link 标签内，可以设计该部件的形状、尺寸、颜色、惯性矩阵、碰撞参数等一系列属性

1.属性

name —> 为连杆命名

2.子标签

visual —> 描述外观(对应的数据是可视的)
- geometry 设置连杆的形状
  - 标签1: box(盒状)
    - 属性:size=长(x) 宽(y) 高(z)
  - 标签2: cylinder(圆柱)
    - 属性:radius=半径 length=高度
  - 标签3: sphere(球体)
    - 属性:radius=半径
  - 标签4: mesh(为连杆添加皮肤)
    - 属性: filename=资源路径(格式:package:/// /文件 )
- origin 设置偏移量与倾斜弧度
  - 属性1: xyz=x偏移 y便宜 z偏移
  - 属性2: rpy=x翻滚 y俯仰 z偏航 (单位是弧度)
- metrial 设置材料属性(颜色)
  - 属性: name
  - 标签: color
    - 属性: rgba=红绿蓝权重值与透明度 (每个权重值以及透明度取值[0,1])
collision —> 连杆的碰撞属性
Inertial —> 连杆的惯性矩阵

在此，只演示visual使用。

3.案例

**需求:**分别生成长方体、圆柱与球体的机器人部件

<robot name="my_car">
    <link name="base_link">
        <visual>
            <!-- 形状 -->
            <geometry>
                <!-- 长方体的长宽高 -->
                <!-- <box size="0.5 0.3 0.1" /> -->
                <!-- 圆柱，半径和长度 -->
                <cylinder radius="0.5" length="0.1" />
                <!-- 球体，半径-->
                <!-- <sphere radius="0.3" /> -->

            </geometry>
            <!-- xyz坐标 rpy翻滚俯仰与偏航角度(3.14=180度 1.57=90度) -->
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <!-- 颜色: r=red g=green b=blue a=alpha -->
            <material name="black">
                <color rgba="0.7 0.5 0 0.5" />
            </material>
        </visual>
    </link>
</robot>

示例结果：

首先下载素材，素材链接，将素材放置在功能包/meshes路径下

2.3 URDF语法详解——joint

joint

urdf 中的 joint 标签用于描述机器人关节的运动学和动力学属性，还可以指定关节运动的安全极限，机器人的两个部件(分别称之为 parent link 与 child link)以”关节”的形式相连接，不同的关节有不同的运动形式: 旋转、滑动、固定、旋转速度、旋转角度限制…,比如:安装在底座上的轮子可以360度旋转，而摄像头则可能是完全固定在底座上。

joint标签对应的数据在模型中是不可见的

1.属性

name —> 为关节命名
type —> 关节运动形式
- continuous: 旋转关节，可以绕单轴无限旋转
- revolute: 旋转关节，类似于 continues,但是有旋转角度限制
- prismatic: 滑动关节，沿某一轴线移动的关节，有位置极限
- planer: 平面关节，允许在平面正交方向上平移或旋转
- floating: 浮动关节，允许进行平移、旋转运动
- fixed: 固定关节，不允许运动的特殊关节

2.子标签

parent(必需的)

parent link的名字是一个强制的属性：
- link:父级连杆的名字，是这个link在机器人结构树中的名字。
child(必需的)

child link的名字是一个强制的属性：
- link:子级连杆的名字，是这个link在机器人结构树中的名字。
origin
- 属性: xyz=各轴线上的偏移量 rpy=各轴线上的偏移弧度。
axis
- 属性: xyz用于设置围绕哪个关节轴运动。

3.案例

**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。

URDF文件示例如下:

<!-- 
    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">
    <!-- 底盘 -->
    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.5 0.2 0.1" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="blue">
                <color rgba="0 0 1.0 0.5" />
            </material>
        </visual>
    </link>

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

    <!-- 关节 -->
    <joint name="camera2baselink" type="continuous">
        <parent link="base_link"/>
        <child link="camera" />
        <!-- 需要计算两个 link 的物理中心之间的偏移量 -->
        <origin xyz="0.2 0 0.075" rpy="0 0 0" />
        <axis xyz="0 0 1" />
    </joint>

</robot>

launch文件示例如下:

<launch>

    <param name="robot_description" textfile="$(find urdf_rviz_demo)/urdf/urdf/urdf03_joint.urdf" />
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find urdf_rviz_demo)/config/helloworld.rviz" /> 

    <!-- 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>

PS:

1.状态发布节点在此是必须的:

    <!-- 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" />

2.关节运动控制节点(可选)，会生成关节控制的UI，用于测试关节运动是否正常。

    <!-- 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" />

示例效果：

4.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

<!--

    使用 base_footprint 优化

-->
<robot name="mycar">
    <!-- 设置一个原点(机器人中心点的投影) -->
    <link name="base_footprint">
        <visual>
            <geometry>
                <sphere radius="0.001" />
            </geometry>
        </visual>
    </link>

    <!-- 添加底盘 -->
    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.5 0.2 0.1" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="blue">
                <color rgba="0 0 1.0 0.5" />
            </material>
        </visual>
    </link>

    <!-- 底盘与原点连接的关节 -->
    <joint name="base_link2base_footprint" type="fixed">
        <parent link="base_footprint" />
        <child link="base_link" />
        <origin xyz="0 0 0.05" />
    </joint>

    <!-- 添加摄像头 -->
    <link name="camera">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.02 0.05 0.05" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="red">
                <color rgba="1 0 0 0.5" />
            </material>
        </visual>
    </link>
    <!-- 关节 -->
    <joint name="camera2baselink" type="continuous">
        <parent link="base_link"/>
        <child link="camera" />
        <origin xyz="0.2 0 0.075" rpy="0 0 0" />
        <axis xyz="0 0 1" />
    </joint>

</robot>

launch 文件内容不变。

示例结果：

5.遇到问题以及解决

问题1:

命令行输出如下错误提示

UnicodeEncodeError: 'ascii' codec can't encode characters in position 463-464: ordinal not in range(128)
[joint_state_publisher-3] process has died [pid 4443, exit code 1, cmd /opt/ros/melodic/lib/joint_state_publisher/joint_state_publisher __name:=joint_state_publisher __log:=/home/rosmelodic/.ros/log/b38967c0-0acb-11eb-aee3-0800278ee10c/joint_state_publisher-3.log].
log file: /home/rosmelodic/.ros/log/b38967c0-0acb-11eb-aee3-0800278ee10c/joint_state_publisher-3*.log

rviz中提示坐标变换异常，导致机器人部件显示结构异常

**原因:**编码问题导致的

**解决:**去除URDF中的中文注释

问题2:

[ERROR] [1584370263.037038]: Could not find the GUI, install the 'joint_state_publisher_gui' package

解决:

sudo apt install ros-noetic-joint-state-publisher-gui

2.4 URDF练习

需求描述:

创建一个四轮圆柱状机器人模型，机器人参数如下,底盘为圆柱状，半径 10cm，高 8cm，四轮由两个驱动轮和两个万向支撑轮组成，两个驱动轮半径为 3.25cm,轮胎宽度1.5cm，两个万向轮为球状，半径 0.75cm，底盘离地间距为 1.5cm(与万向轮直径一致)

结果演示:

实现流程:

创建机器人模型可以分步骤实现

新建 urdf 文件，并与 launch 文件集成
搭建底盘
在底盘上添加两个驱动轮
在底盘上添加两个万向轮

1.新建urdf以及launch文件

urdf 文件:基本实现

<robot name="mycar">
    <!-- 设置 base_footprint  -->
    <link name="base_footprint">
        <visual>
            <geometry>
                <sphere radius="0.001" />
            </geometry>
        </visual>
    </link>

    <!-- 添加底盘 -->


    <!-- 添加驱动轮 -->


    <!-- 添加万向轮(支撑轮) -->

</robot>

launch 文件:

<launch>
    <!-- 将 urdf 文件内容设置进参数服务器 -->
    <param name="robot_description" textfile="$(find demo01_urdf_helloworld)/urdf/urdf/test.urdf" />

    <!-- 启动 rivz -->
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz_test" args="-d $(find demo01_urdf_helloworld)/config/helloworld.rviz" />

    <!-- 启动机器人状态和关节状态发布节点 -->
    <node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" />
    <node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher" />

    <!-- 启动图形化的控制关节运动节点 -->
    <node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" />

</launch>

2.底盘搭建

<!-- 
        参数
            形状:圆柱 
            半径:10     cm 
            高度:8      cm 
            离地:1.5    cm

    -->
    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.1" length="0.08" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="yellow">
                <color rgba="0.8 0.3 0.1 0.5" />
            </material>
        </visual>
    </link>

    <joint name="base_link2base_footprint" type="fixed">
        <parent link="base_footprint" />
        <child link="base_link"/>
        <origin xyz="0 0 0.055" />
    </joint>

3.添加驱动轮

<!-- 添加驱动轮 -->
    <!--
        驱动轮是侧翻的圆柱
        参数
            半径: 3.25 cm
            宽度: 1.5  cm
            颜色: 黑色
        关节设置:
            x = 0
            y = 底盘的半径 + 轮胎宽度 / 2
            z = 离地间距 + 底盘长度 / 2 - 轮胎半径 = 1.5 + 4 - 3.25 = 2.25(cm)
            axis = 0 1 0
    -->
    <link name="left_wheel">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.0325" length="0.015" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="1.5705 0 0" />
            <material name="black">
                <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
            </material>
        </visual>

    </link>

    <joint name="left_wheel2base_link" type="continuous">
        <parent link="base_link" />
        <child link="left_wheel" />
        <origin xyz="0 0.1 -0.0225" />
        <axis xyz="0 1 0" />
    </joint>


    <link name="right_wheel">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.0325" length="0.015" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="1.5705 0 0" />
            <material name="black">
                <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
            </material>
        </visual>

    </link>

    <joint name="right_wheel2base_link" type="continuous">
        <parent link="base_link" />
        <child link="right_wheel" />
        <origin xyz="0 -0.1 -0.0225" />
        <axis xyz="0 1 0" />
    </joint>

4.添加万向轮

<!-- 添加万向轮(支撑轮) -->
    <!--
        参数
            形状: 球体
            半径: 0.75 cm
            颜色: 黑色

        关节设置:
            x = 自定义(底盘半径 - 万向轮半径) = 0.1 - 0.0075 = 0.0925(cm)
            y = 0
            z = 底盘长度 / 2 + 离地间距 / 2 = 0.08 / 2 + 0.015 / 2 = 0.0475 
            axis= 1 1 1

    -->
    <link name="front_wheel">
        <visual>
            <geometry>
                <sphere radius="0.0075" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="black">
                <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
            </material>
        </visual>
    </link>

    <joint name="front_wheel2base_link" type="continuous">
        <parent link="base_link" />
        <child link="front_wheel" />
        <origin xyz="0.0925 0 -0.0475" />
        <axis xyz="1 1 1" />
    </joint>

    <link name="back_wheel">
        <visual>
            <geometry>
                <sphere radius="0.0075" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="black">
                <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
            </material>
        </visual>
    </link>

    <joint name="back_wheel2base_link" type="continuous">
        <parent link="base_link" />
        <child link="back_wheel" />
        <origin xyz="-0.0925 0 -0.0475" />
        <axis xyz="1 1 1" />
    </joint>

示例效果：

2.5 URDF工具

在 ROS 中，提供了一些工具来方便 URDF 文件的编写，比如:

check_urdf命令可以检查复杂的 urdf 文件是否存在语法问题
urdf_to_graphiz命令可以查看 urdf 模型结构，显示不同 link 的层级关系

当然，要使用工具之前，首先需要安装，安装命令:sudo apt install liburdfdom-tools

1.check_urdf 语法检查

进入urdf文件所属目录，调用:check_urdf urdf文件，如果不抛出异常，说明文件合法,否则非法

2.urdf_to_graphiz 结构查看

进入urdf文件所属目录，调用:urdf_to_graphiz urdf文件，当前目录下会生成 pdf 文件

Reference

http://www.autolabor.com.cn/book/ROSTutorials/di-2-zhang-ros-jia-gou-she-ji/23-fu-wu-tong-xin/224-fu-wu-tong-xin-zi-ding-yi-srv-diao-yong-b-python.html

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【ROS学习笔记15】ROS仿真常用组件URDF集成rviz