• 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:

     

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