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ROS机器人入门学习记录：机器人系统仿真。本学习记录主要介绍了基于ROS（机器人操作系统）的机器人仿真过程。内容包括ROS系统的基础知识和安装步骤，机器人模型的构建与仿真环境的设置，以及如何通过仿真平台进行机器人的调试和性能优化。通过学习，可以了解ROS在机器人仿真领域的应用，掌握机器人系统仿真的基本方法和技巧，为后续的机器人开发和应用打下基础。
承接上一篇博客：
ROS机器人入门：机器人系统仿真【学习记录】——1-CSDN博客
我们先前结束了（上一篇博客中）：
1. 概述
2. URDF集成Rviz基本流程
3. URDF语法详解
4. URDF优化_xacro
下面让我们继续学习ROS机器人系统仿真！
让我们接着新的开始：
5. Rviz中控制机器人模型运动
通过 URDF 结合 rviz 可以创建并显示机器人模型，不过，当前实现的只是静态模型，如何控制模型的运动呢？在此，可以调用 Arbotix 实现此功能。
简介
Arbotix:Arbotix 是一款控制电机、舵机的控制板，并提供相应的 ros 功能包，这个功能包的功能不仅可以驱动真实的 Arbotix 控制板，它还提供一个差速控制器，通过接受速度控制指令更新机器人的 joint 状态，从而帮助我们实现机器人在 rviz 中的运动。
这个差速控制器在 arbotix_python 程序包中，完整的 arbotix 程序包还包括多种控制器，分别对应 dynamixel 电机、多关节机械臂以及不同形状的夹持器。
Arbotix使用流程
控制机器人模型在 rviz 中做圆周运动
实现流程:
安装 Arbotix
创建新功能包，准备机器人 urdf、xacro 文件
添加 Arbotix 配置文件
编写 launch 文件配置 Arbotix
启动 launch 文件并控制机器人模型运动
1.安装 Arbotix
方式1:命令行调用
sudo apt-get install ros--arbotix
将 替换成当前 ROS 版本名称，如果提示功能包无法定位，请采用方式2。
方式2:源码安装
先从 github 下载源码，然后调用 catkin_make 编译
git clone https://github.com/vanadiumlabs/arbotix_ros.git
下面我们采用方式2来进行源码的下载：
将git到的arbotix_ros文件复制到自己工作空间的src下，然后需要进行catkin_make编译
这里我遇到了一个问题，就是编译失败，报错信息如下：
主要的报错信息为： AttributeError: module 'em' has no attribute 'RAW_OPT'
下面结合这篇博客解决了这个问题：
在进行编译时，遇到AttributeError:module ‘em‘ has no attribute ‘RAW_OPT‘问题_no attribute 'raw_opt-CSDN博客
具体问题就是在“empy”这个库中没有'RAW_OPT'这个属性
原因：
由于empy的版本不匹配，我下载的empy版本为4.1,但是似乎4.0版本以上都会出现这个错误
可以pip show来查看一下empy的版本：
解决方法：
将原来自己的conda环境中的"empy"卸载并重新安装旧版本的“empy”：
conda activate hjx
pip uninstall empy
pip install empy==3.3.4
安装好empy的低版本后，再次进行catkin_make编译，可以发现问题得到了解决：
2.创建新功能包，准备机器人 urdf、xacro
这里的urdf 和 xacro 沿用上一篇博客的实现即可
3.添加 arbotix 所需的配置文件
下面开始添加 arbotix 所需配置文件，代码如下：
# 该文件是控制器配置,一个机器人模型可能有多个控制器，比如: 底盘、机械臂、夹持器(机械手)....
# 因此，根 name 是 controller
controllers: {
# 单控制器设置
base_controller: {
#类型: 差速控制器
type: diff_controller,
#参考坐标
base_frame_id: base_footprint,
#两个轮子之间的间距
base_width: 0.2,
#控制频率
ticks_meter: 2000,
#PID控制参数，使机器人车轮快速达到预期速度
Kp: 12,
Kd: 12,
Ki: 0,
Ko: 50,
#加速限制
accel_limit: 1.0
}
}
另请参考: http://wiki.ros.org/arbotix_python/diff_controller
下面我们开始进行 arbotix 所需配置文件的配置工作：
在urdf01_rviz文件夹中的config文件夹中新建一个control.yaml文件，再将上面的代码复制进去：
4.launch 文件中配置 arbotix 节点
下面开始新建一个launch文件（control.launch），代码如下：
代码解释:
调用了 arbotix_python 功能包下的 arbotix_driver 节点
arbotix 驱动机器人运行时，需要获取机器人信息，可以通过 file 加载配置文件
在仿真环境下，需要配置 sim 为 true
下面开始启动launch文件并控制机器人运动，进入工作空间中先source一下，再执行launch文件：
source ./devel/setup.bash
conda activate hjx
roslaunch urdf01_rviz control.launch
运行launch文件时遇到报错：
ModuleNotFoundError: No module named 'serial'
解决方法：
conda activate hjx
pip install pyserial
再次执行launch文件，可以发现启动成功：
下面需要将base_footprint修改为odom(里程计):
下面查看一下ROS系统中存在的一些话题，开启一个终端执行：
rostopic list
也就说我们可以发布 cmd_vel 话题消息控制小陈运动了，该实现策略有多种，可以另行编写节点，或者更简单些可以直接通过如下命令发布消息，给出例子:
rostopic pub -r 10 /cmd_vel geometry_msgs/Twist '{linear: {x: 0.2, y: 0, z: 0}, angular: {x: 0, y: 0, z: 0.5}}'
实操环节开始，其中/cmd_vel这个话题可以发布速度消息，这个话题现在是被arbotix订阅的，我们现在只需要发消息即可，下面开始发送，在终端中输入：
rostopic pub -r 10 /cmd_vel
然后一直Tab补齐，出现如下界面：
设置一下线速度和角速度：
最后进行回车，可以在rviz中发现小车运动了起来：
为了增强视觉感受，可以在rviz中添加一下组件（Odometry）：
下面在Odometry中的Topic处设置为/odom，出现如下界面：
这个红色的箭头指向就是小车的运动方向，其中箭头的数量默认保存为100个
6. URDF集成Gazebo
URDF 需要集成进 Rviz 或 Gazebo 才能显示可视化的机器人模型，前面已经介绍了URDF 与 Rviz 的集成，本节主要介绍:
- URDF 与 Gazebo 的基本集成流程；
- 如果要在 Gazebo 中显示机器人模型，URDF 需要做的一些额外配置；
- 关于Gazebo仿真环境的搭建。
URDF与Gazebo基本集成流程
URDF 与 Gazebo 集成流程与 Rviz 实现类似，主要步骤如下:
创建功能包，导入依赖项
编写 URDF 或 Xacro 文件
启动 Gazebo 并显示机器人模型
1.创建功能包
创建新功能包，导入依赖包: urdf、xacro、gazebo_ros、gazebo_ros_control、gazebo_plugins
首先需要在工作空间的src目录下新建一个功能包（urdf02_gazebo）：
导入依赖包: urdf xacro gazebo_ros gazebo_ros_control gazebo_plugins:
2.编写URDF文件
继续在urdf02_gazebo文件夹下创建一个urdf文件夹，再创建一个demo01_helloworld.urdf文件，将如下代码复制到文件当中：
Gazebo/Black
注意， 当 URDF 需要与 Gazebo 集成时，和 Rviz 有明显区别:
1.必须使用 collision 标签，因为既然是仿真环境，那么必然涉及到碰撞检测，collision 提供碰撞检测的依据。
2.必须使用 inertial 标签，此标签标注了当前机器人某个刚体部分的惯性矩阵，用于一些力学相关的仿真计算。
3.颜色设置，也需要重新使用 gazebo 标签标注，因为之前的颜色设置为了方便调试包含透明度，仿真环境下没有此选项。
3.启动Gazebo并显示模型
继续创建一个launch 文件（demo01_helloworld.launch）:
给出launch文件中的代码解释:
保存文件后，在终端source一下后再执行指令：
conda activate hjx
roslaunch urdf02_gazebo demo01_helloworld.launch
可以发现如下界面，说明gazebo启动成功：
URDF集成Gazebo相关设置
较之于 rviz，gazebo在集成 URDF 时，需要做些许修改，比如:必须添加 collision 碰撞属性相关参数、必须添加 inertial 惯性矩阵相关参数，另外，如果直接移植 Rviz 中机器人的颜色设置是没有显示的，颜色设置也必须做相应的变更。
1.collision
如果机器人link是标准的几何体形状，和link的 visual 属性设置一致即可。
2.inertial
惯性矩阵的设置需要结合link的质量与外形参数动态生成，标准的球体、圆柱与立方体的惯性矩阵公式如下(已经封装为 xacro 实现):
球体惯性矩阵：
圆柱惯性矩阵：
立方体惯性矩阵：
需要注意的是，原则上，除了 base_footprint 外，机器人的每个刚体部分都需要设置惯性矩阵，且惯性矩阵必须经计算得出，如果随意定义刚体部分的惯性矩阵，那么可能会导致机器人在 Gazebo 中出现抖动，移动等现象。
3.颜色设置
在 gazebo 中显示 link 的颜色，必须要使用指定的标签:
Gazebo/BluePS：material 标签中，设置的值区分大小写，颜色可以设置为 Red Blue Green Black .....
URDF集成Gazebo实操
需求描述:
将先前的机器人模型(xacro版)显示在 gazebo 中
实现流程:
需要编写封装惯性矩阵算法的 xacro 文件
为机器人模型中的每一个 link 添加 collision 和 inertial 标签，并且重置颜色属性
在 launch 文件中启动 gazebo 并添加机器人模型
1.编写封装惯性矩阵算法的 xacro 文件
下面在urdf02_gazebo文件夹中的urdf文件夹下创建一个head.xacro文件：
2.复制相关 xacro 文件，并设置 collision inertial 以及 color 等参数
将先前的urdf01_rviz功能包中的xacro文件夹下的如下4个文件复制到urdf02_gazebo功能包中：
继续如下进行操作，将对应代码复制到对应的文件当中：
A.底盘 Xacro 文件（demo_car_base.xacro）
Gazebo/Yellow Gazebo/Red Gazebo/Red注意: 如果机器人模型在 Gazebo 中产生了抖动，滑动，缓慢位移 .... 诸如此类情况，请查看
惯性矩阵是否设置了，且设置是否正确合理
车轮翻转需要依赖于 PI 值，如果 PI 值精度偏低，也可能导致上述情况产生
B.摄像头 Xacro 文件（demo_car_camera）
Gazebo/BlueC.雷达 Xacro 文件（demo_car_laser）
Gazebo/White Gazebo/BlackD.组合底盘、摄像头与雷达的 Xacro 文件
注意这一步需要在car.xacro这个文件中添加如下框选的代码：
3.在 gazebo 中执行
继续创建一个launch 文件（demo02_car.launch）:
保存文件后，新开一个终端source一下后再执行指令：
conda activate hjx
roslaunch urdf02_gazebo demo02_car.launch
可以发现如下界面，说明机器人在gazebo显示成功：
Gazebo仿真环境搭建
到目前为止，我们已经可以将机器人模型显示在 Gazebo 之中了，但是当前默认情况下，在 Gazebo 中机器人模型是在 empty world 中，并没有类似于房间、家具、道路、树木... 之类的仿真物，如何在 Gazebo 中创建仿真环境呢？
Gazebo 中创建仿真实现方式有两种:
方式1: 直接添加内置组件创建仿真环境
方式2: 手动绘制仿真环境(更为灵活)
也还可以直接下载使用官方或第三方提高的仿真环境插件。
1.添加内置组件创建仿真环境
1.1启动 Gazebo 并添加组件
首先在urdf02_gazebo功能包下新建一个worlds目录，再将先前的box_house.world文件复制到worlds目录中：
接下来需要继续编写launch文件（demo03_env.launch）：
保存文件后，新开一个终端source一下后执行：
conda activate hjx
roslaunch urdf02_gazebo demo03_env.launch
可以发现出现如下界面，说明仿真环境添加成功：
1.2保存仿真环境
选择 file ---> Save World as 选择保存路径(功能包下: worlds 目录)，文件名自定义，后缀名设置为 .world
2.自定义仿真环境
2.1 启动 gazebo 打开构建面板，绘制仿真环境
需要先开启roscore，再开一个终端输入：gazebo
打开gazebo后，点击：
可以进行自定义绘制仿真环境：
2.2 保存构建的环境
点击: 左上角 file ---> Save (保存路径功能包下的: models)
然后 file ---> Exit Building Editor
2.3 保存为 world 文件
可以像方式1一样再添加一些插件，然后保存为 world 文件(保存路径功能包下的: worlds)
2.4 启动
同方式1
3.使用官方提供的插件
当前 Gazebo 提供的仿真道具有限，还可以下载官方支持，可以提供更为丰富的仿真实现，具体实现如下:
3.1 下载官方模型库
git clone https://github.com/osrf/gazebo_models
注意: 此过程可能比较耗时
3.2 将模型库复制进 gazebo
将得到的gazebo_models文件夹内容复制到 /usr/share/gazebo-*/models
3.3 应用
重启 Gazebo，选择左侧菜单栏的 insert 可以选择并插入相关道具了
好啦 ~ 由于篇幅原因，目前有关URDF与Rviz的博客到此结束，但是，【ROS机器人入门：机器人系统仿真 】这个系列还没有结束。
后续的博客链接请见：
ROS机器人入门：机器人系统仿真【学习记录】——3-CSDN博客
这篇博客的学习网址为：227引言_机器人系统仿真_哔哩哔哩_bilibili
所对应的图文教程为：6.1 概述 · Autolabor-ROS机器人入门课程《ROS理论与实践》零基础教程
参考资料：
第 6 章 机器人系统仿真 · Autolabor-ROS机器人入门课程《ROS理论与实践》零基础教程
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