ROS和Gazebo进行机器人仿真(一)

Gazebo是一种多机器人仿真器，可用于室内外机器人仿真。Gazebo在ROS中有良好的接口，包含ROS和Gazebo的所有控制。

若要实现ROS到Gazebo的通信，我们必须安装ROS-Gazebo接口。

应该安装以下软件包：

$ sudo apt install ros-melodic-gazebo-ros-pkgs  ros-melodic-gazebo-msgs  ros-melodic-gazebo-plugins  ros-melodic-gazebo-ros-control

*gazebo_ros_pkgs : 它包含用于将ROS和Gazebo连接的封装和工具。

*gazebo-msgs : 它包含ROS和Gazebo交互的消息和服务的数据结构。

*gazebo-plugins : 它包含用于传感器、执行结构的Gazebo插件。

*gazebo-ros-control : 它包含用于在ROS和Gazebo之间通信的标准控制器。

安装后，请使用以下命令检查Gazebo是否安装正确：

$ roscore & rosrun gazebo_ros gazebo

一.为Gazebo创建机械臂仿真模型

我们可以通过添加仿真参数来更新现有的机器人描述，从而创建一个机械臂仿真模型。

我们需要去创建一个软件包：

$ catkin_create_pkg seven_dof_arm_gazebo gazebo_msgs gazebo_plugins gazebo_ros gazebo_ros_control mastering_ros_robot_description_pkg

也可以在相应的Git库中获得完整的软件包。如下：

$ git clone https://github.com/jocacace/seven_dof_arm_gazebo.git

可以在seven_dof_arm.xacro文件中看到机器人的完整仿真模型，上一章讲过。

该文件包含了URDF标签，这对于仿真是必要的，我们将定义碰撞、惯性、传动、关节、连杆、以及Gazebo。

我们可以使用seven_dof_arm_gazebo软件包来启动现有的仿真模型，启动文件为：seven_dof_arm_world.launch的启动文件。

代码如下：

 1 <launch>
 2
 3   <!-- these are the arguments you can pass this launch file, for example paused:=t   rue -->
 4   <arg name="paused" default="false"/>
 5   <arg name="use_sim_time" default="true"/>
 6   <arg name="gui" default="true"/>
 7   <arg name="headless" default="false"/>
 8   <arg name="debug" default="false"/>
 9
10   <!-- We resume the logic in empty_world.launch -->
11   <include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch">
12     <arg name="debug" value="$(arg debug)" />
13     <arg name="gui" value="$(arg gui)" />
14     <arg name="paused" value="$(arg paused)"/>
15     <arg name="use_sim_time" value="$(arg use_sim_time)"/>
16     <arg name="headless" value="$(arg headless)"/>
17   </include>
18
19   <!-- Load the URDF into the ROS Parameter Server -->
20   <param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro --inorder '$(find ma   stering_ros_robot_description_pkg)/urdf/seven_dof_arm.xacro'" />
21
22
23   <!-- Run a python script to the send a service call to gazebo_ros to spawn a URDF    robot -->
24   <node name="urdf_spawner" pkg="gazebo_ros" type="spawn_model" respawn="false" out   put="screen"
25     args="-urdf -model seven_dof_arm -param robot_description"/>
26
27
28 </launch>

启动以下命令来显示仿真机械臂

$ roslaunch seven_dof_arm_gazebo seven_dof_arm_world.launch

模型如下：

接下来我们来详细的讨论一下机器人的仿真模型文件

1.为Gazebo机器人模型添加颜色和纹理

在机器人仿真中我们可以看到每个连杆都有不同的颜色和纹理。在xacro文件中，下面的标签可以为机器人的连杆提供纹理和颜色：

140   <gazebo reference="bottom_link">
141     <material>Gazebo/White</material>
142   </gazebo>
 
172   <gazebo reference="base_link">
173     <material>Gazebo/White</material>
174   </gazebo>
 
210   <gazebo reference="shoulder_pan_link">
211     <material>Gazebo/Red</material>
212   </gazebo>

2.添加transmission标签来启动模型

为了使用ROS控制器来启动机器人，我们需要定义<transmission>(传动)标签来连接执行机构和关节，以下是为传动的宏：

 92    <xacro:macro name="transmission_block" params="joint_name">
 93       <transmission name="tran1">
 94         <type>transmission_interface/SimpleTransmission</type>
 95         <joint name="${joint_name}">
 96           <hardwareInterface>hardware_interface/PositionJointInterface</hardwareIn    terface>
 97         </joint>
 98         <actuator name="motor1">
 99           <hardwareInterface>hardware_interface/PositionJointInterface</hardwareIn    terface>
100           <mechanicalReduction>1</mechanicalReduction>
101         </actuator>
102       </transmission>
103    </xacro:macro>

在这里<joint name="">是连接启动器的关节。<type>标签是传动类型。目前，仅支持简单的传动transmission_interface/SimpleTransmission. <hardwareInterface>

标签是要加载的硬件接口类型（位置、速度或力度），在该示例中，使用了位置控制硬件接口。这个硬件接口由gazebo_ros_control插件加载，下一节将看到。

3.添加gazebo_ros_control插件

在添加传动标签后，我们应该在仿真模型中添加gazebo_ros_control插件来解析传动标签并分配适当的硬件接口和控制管理器。代码如下：

563   <gazebo>
564     <plugin name="gazebo_ros_control" filename="libgazebo_ros_control.so">
565       <robotNamespace>/seven_dof_arm</robotNamespace>
566     </plugin>
567   </gazebo>
568

<plugin>标签指定了要加载的插件名是libgazebo_ros_control.so。可以将<robotNamespace>标签作为机器人的名称，

如果我们没有指定名称，它将从URDF 自动加载机器人的名称。我们还可以在参数服务器（<robotParam>)上指定控制器刷新速率(<control-Period>),robot_description(URDF)

的位置以及机器人硬件接口的类型(<robotSimType>).默认的硬件接口可以是：JointStateInerface、EffortJointInterface或VelocityJointInterface.

4.在Gazebo中添加3D视觉传感器

在Gazebo中，我们可以仿真机器人的运动和物理特征，也可以对传感器进行仿真。

要在Gazebo中创建一个传感器，我们就必须对Gazebo中传感器的行为进行建模。

Gazebo中有一些预先创建的传感器模型，可以直接在代码中使用而无需编写新模型。

这里，我们在Gazebo中添加了一个名为Asus Xtion Pro模型的3D视觉传感器（通常称为RGB-D传感器）。传感器已经在gazebo_ros_pkgs/gazebo_plugins的ROS软件包中实现。

Gazebo中的每个模型都可以作为Gazebo_ROS插件实现，可以将其插入URDF文件来加载。

以下是我们如何在seven_dof_arm_with_rgbd.xacro机器人的xacro文件中把Gazebo定义和Xtion Pro的物理机器人模型包含进来的：

<xacro:include filename="$(find mastering_ros_robot_description_pkg)/urdf/sensor s/xtion_pro_live.urdf.xacro"/>

在xtion_pro_live.urdf.xacro文件内部，我们可以看到以下代码：

 1 <?xml version="1.0"?>
 2 <robot xmlns:xacro="http://ros.org/wiki/xacro">
 3
 4   <xacro:include filename="$(find mastering_ros_robot_description_pkg)/urdf/sensors   /xtion_pro_live.gazebo.xacro"/>
 5
 6   <xacro:macro name="dummy_inertial">
 7     <inertial>
 8       <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
 9       <mass value="0.001"/>
10       <inertia ixx="0.00001" ixy="0" ixz="0"
11                iyy="0.00001" iyz="0"
12                izz="0.00001"/>
13     </inertial>
14   </xacro:macro>
15
16   <xacro:macro name="xtion_pro_live" params="name parent *origin *optical_origin">
17
18     <!-- frames in the center of the camera -->
19     <joint name="${name}_joint" type="fixed">
20       <xacro:insert_block name="origin"/>
21       <parent link="${parent}_link"/>
22       <child link="${name}_link"/>
23     </joint>
24
25     <link name="${name}_link">
26       <inertial>
27         <origin xyz="-0.00936000000 -0.00003000000 -0.00273000000" rpy="0 0 0"/>
28         <mass value="0.21970000000"/>
29         <inertia ixx="0.00000429247" ixy="0.00000000000" ixz="0.00000002565"
30                  iyy="0.00000008027" iyz="0.00000000000"
31                  izz="0.00000427339"/>
32       </inertial>
33       <visual>
34         <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
35         <geometry>
36           <mesh filename="package://mastering_ros_robot_description_pkg/meshes/sens   ors/xtion_pro_live/xtion_pro_live.dae"/>
37         </geometry>
38         <material name="DarkGrey"/>
39       </visual>
40     </link>
41
42     <joint name="${name}_optical_joint" type="fixed">
43       <xacro:insert_block name="optical_origin"/>
44       <parent link="${name}_link"/>
45       <child link="${name}_optical_frame"/>
46     </joint>
47
48     <link name="${name}_optical_frame">
49       <dummy_inertial/>
50     </link>
51
52     <!-- Depth sensor frames -->
53     <joint name="${name}_depth_joint" type="fixed">
54       <origin xyz="0.0 0.049 0.0" rpy="0 0 0"/>
55       <parent link="${name}_link"/>
56       <child link="${name}_depth_frame"/>
57     </joint>
58
59     <link name="${name}_depth_frame">
60       <dummy_inertial/>
61     </link>
62
63     <joint name="${name}_depth_optical_joint" type="fixed">
64       <origin xyz="0 0 0" rpy="${-90.0 * deg_to_rad} 0.0 ${-90.0 * deg_to_rad}"/>
65       <parent link="${name}_depth_frame"/>
66       <child link="${name}_depth_optical_frame"/>
67     </joint>
68
69     <link name="${name}_depth_optical_frame">
70       <dummy_inertial/>
71     </link>
72
73     <!-- RGB sensor frames -->
74     <joint name="${name}_rgb_joint" type="fixed">
75       <origin xyz="0.0 0.022 0.0" rpy="0 0 0"/>
76       <parent link="${name}_link"/>
77       <child link="${name}_rgb_frame"/>
78     </joint>
79
80     <link name="${name}_rgb_frame">
81       <dummy_inertial/>
82     </link>
83
84     <joint name="${name}_rgb_optical_joint" type="fixed">
85       <origin xyz="0 0 0" rpy="${-90.0 * deg_to_rad} 0.0 ${-90.0 * deg_to_rad}"/>
86       <parent link="${name}_rgb_frame"/>
87       <child link="${name}_rgb_optical_frame"/>
88     </joint>
89
90     <link name="${name}_rgb_optical_frame">
91       <dummy_inertial/>
92     </link>
93
94     <xacro:xtion_pro_live_rgbd_camera_gazebo name="${name}"/>
95   </xacro:macro>
96
97 </robot>

在这里，我们可以看到它包含另一个名为xtion_pro_live.gazebo.xacro的文件，该文件包含Xtion Pro在Gazebo中的完整定义。

我们还可以看到一个名为xtion_pro_live的宏定义，其中包含Xtion Pro的完整模型定义，包括连杆和关节：

  <mesh filename="package://mastering_ros_robot_description_pkg/meshes/sens   ors/xtion_pro_live/xtion_pro_live.dae"/>

在宏定义中，我们将导入一个Asus Xtion Pro的网格文件该文件将在Gazebo中显示为相机连杆。

在mastering_ros_robot_description_pkg/urdf/sensors/xtion_pro_live.gazebo.xacro文件中，

我们可以设置Xtion Pro的Gazebo-ROS插件，我们将插件定义为宏，并支持RGB和深度相机，插件的定义如下：

67         <plugin name="${name}_frame_controller" filename="libgazebo_ros_openni_kine   ct.so">
68           <alwaysOn>true</alwaysOn>
69           <updateRate>6.0</updateRate>
70           <cameraName>${name}</cameraName>
71
72           <imageTopicName>rgb/image_raw</imageTopicName>
73           <cameraInfoTopicName>rgb/camera_info</cameraInfoTopicName>
74           <pointCloudTopicName>rgb/points</pointCloudTopicName>
75
76           <depthImageTopicName>depth/image_raw</depthImageTopicName>
77           <depthImageCameraInfoTopicName>depth/camera_info</depthImageCameraInfoTop   icName>
78
79           <frameName>${name}_optical_frame</frameName>
80           <pointCloudCutoff>0.05</pointCloudCutoff>
81           <pointCloudCutoffMax>5</pointCloudCutoffMax>
82           <rangeMax>1.5</rangeMax>
83
84         </plugin>

Xtion Pro的插件文件名是libgazebo_ros_openni_kinect.so,我们可以定义插件参数，例如相机名称，图像话题等。

二.仿真装有Xtion Pro的机械臂

现在已经了解了Gazebo中相机插件的定义，我们可以使用以下命令启动完整的仿真：

$ roslaunch seven_dof_arm_gazebo seven_dof_arm_with_rgbd_world.launch

我们就可以看到一个机器人模型，在机械臂顶部装有一个传感器，如图所示：

可视化三维传感器数据

使用上述命令启动仿真后，我们可以检查由传感器插件生成的话题，如图所示：

 命令：qqtsj  ~  catkin_ws  ：rostopic list
/clock
/gazebo/link_states
/gazebo/model_states
/gazebo/parameter_descriptions
/gazebo/parameter_updates
/gazebo/set_link_state
/gazebo/set_model_state
/image_view_1581403067208774218/output
/image_view_1581403067208774218/parameter_descriptions
/image_view_1581403067208774218/parameter_updates
/rgbd_camera/depth/camera_info
/rgbd_camera/depth/image_raw
/rgbd_camera/depth/points
/rgbd_camera/ir/camera_info
/rgbd_camera/ir/image_raw
/rgbd_camera/ir/image_raw/compressed
/rgbd_camera/ir/image_raw/compressed/parameter_descriptions
/rgbd_camera/ir/image_raw/compressed/parameter_updates
/rgbd_camera/ir/image_raw/compressedDepth
/rgbd_camera/ir/image_raw/compressedDepth/parameter_descriptions
/rgbd_camera/ir/image_raw/compressedDepth/parameter_updates
/rgbd_camera/ir/image_raw/theora
/rgbd_camera/ir/image_raw/theora/parameter_descriptions
/rgbd_camera/ir/image_raw/theora/parameter_updates
/rgbd_camera/parameter_descriptions
/rgbd_camera/parameter_updates
/rgbd_camera/rgb/camera_info
/rgbd_camera/rgb/image_raw
/rgbd_camera/rgb/image_raw/compressed
/rgbd_camera/rgb/image_raw/compressed/parameter_descriptions
/rgbd_camera/rgb/image_raw/compressed/parameter_updates
/rgbd_camera/rgb/image_raw/compressedDepth
/rgbd_camera/rgb/image_raw/compressedDepth/parameter_descriptions
/rgbd_camera/rgb/image_raw/compressedDepth/parameter_updates
/rgbd_camera/rgb/image_raw/theora
/rgbd_camera/rgb/image_raw/theora/parameter_descriptions
/rgbd_camera/rgb/image_raw/theora/parameter_updates
/rgbd_camera/rgb/points
/rosout
/rosout_agg

我们使用名为image_view的工具来查看3D视觉传感器的图像数据：

*查看RGB原始图像：

$ rosrun image_view image_view image:=/rgbd_camera/rgb/image_raw

*查看IR原始图像：

$rosrun image_view image_view image:=/rgbd_camera/ir/image_raw

*查看深度图像

$rosrun image_view image_view image:=/rgbd_camera/depth/image_raw

如下为以上的截图：