ROS机器人入门,机器人系统仿真【学习记录】——2,ROS机器人入门,系统仿真学习记录——仿真探索篇

马肤

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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:

  1. 安装 Arbotix

  2. 创建新功能包,准备机器人 urdf、xacro 文件

  3. 添加 Arbotix 配置文件

  4. 编写 launch 文件配置 Arbotix

  5. 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:

ROS机器人入门,机器人系统仿真【学习记录】——2,ROS机器人入门,系统仿真学习记录——仿真探索篇 第1张

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:

ROS机器人入门,机器人系统仿真【学习记录】——2,ROS机器人入门,系统仿真学习记录——仿真探索篇 第2张

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:

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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:

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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:

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下面需要将base_footprint修改为odom(里程计):
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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

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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:

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设置一下线速度和角速度:

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最后进行回车,可以在rviz中发现小车运动了起来:

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为了增强视觉感受,可以在rviz中添加一下组件(Odometry):

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 下面在Odometry中的Topic处设置为/odom,出现如下界面:

ROS机器人入门,机器人系统仿真【学习记录】——2,ROS机器人入门,系统仿真学习记录——仿真探索篇 第12张

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:

    1. 创建功能包,导入依赖项

    2. 编写 URDF 或 Xacro 文件

    3. 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):

    ROS机器人入门,机器人系统仿真【学习记录】——2,ROS机器人入门,系统仿真学习记录——仿真探索篇 第13张

    导入依赖包: urdf xacro gazebo_ros gazebo_ros_control gazebo_plugins:

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    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
        
    
    

    ROS机器人入门,机器人系统仿真【学习记录】——2,ROS机器人入门,系统仿真学习记录——仿真探索篇 第15张

    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:

    
    
    
    

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    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:

    ROS机器人入门,机器人系统仿真【学习记录】——2,ROS机器人入门,系统仿真学习记录——仿真探索篇 第17张

    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/Blue
    
    

    PS: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:

    1. 需要编写封装惯性矩阵算法的 xacro 文件

    2. 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

    3. 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:

    ROS机器人入门,机器人系统仿真【学习记录】——2,ROS机器人入门,系统仿真学习记录——仿真探索篇 第18张

     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

    1. 惯性矩阵是否设置了,且设置是否正确合理

    2. 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/Blue
        
    
    
    C.雷达 Xacro 文件(demo_car_laser)
    
        
         
         
         
         
         
         
        
            
                
                    
                
                
                
                    
                
            
            
                
                    
                
                
            
            
        
        
            
            
            
        
        
            Gazebo/White
        
        
         
         
         
         
         
         
        
        
            
                
                    
                
                
                
            
            
                
                    
                
                
            
            
        
        
            
            
            
        
        
            Gazebo/Black
        
    
    
    D.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:

    ROS机器人入门,机器人系统仿真【学习记录】——2,ROS机器人入门,系统仿真学习记录——仿真探索篇 第19张

    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:

    ROS机器人入门,机器人系统仿真【学习记录】——2,ROS机器人入门,系统仿真学习记录——仿真探索篇 第20张

    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:

      ROS机器人入门,机器人系统仿真【学习记录】——2,ROS机器人入门,系统仿真学习记录——仿真探索篇 第21张

      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:
      ROS机器人入门,机器人系统仿真【学习记录】——2,ROS机器人入门,系统仿真学习记录——仿真探索篇 第22张

      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:

      ROS机器人入门,机器人系统仿真【学习记录】——2,ROS机器人入门,系统仿真学习记录——仿真探索篇 第23张

      可以进行自定义绘制仿真环境:

      ROS机器人入门,机器人系统仿真【学习记录】——2,ROS机器人入门,系统仿真学习记录——仿真探索篇 第24张

      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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