輪式智能移動操作機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用-基于ROS的Python編程 課件 第3章 URDF模型基礎(chǔ)

第3章URDF模型基礎(chǔ)目錄3.1在URDF模型內(nèi)進(jìn)行物理模型描述3.2在URDF模型內(nèi)對各傳感器進(jìn)行描述3.3本章小結(jié)3.1.1獲取開源項(xiàng)目這里通過一個(gè)開源項(xiàng)目“wpr_simulation”來介紹統(tǒng)一機(jī)器人描述格式（URDF，UnifiedRobotDescriptionFormat）模型。（1）獲取開源項(xiàng)目，如圖3-1所示，在終端中依次輸入如下指令。cd~/catkin_ws/srcgitclone/6-robot/wpr_simulation.git圖3-1獲取開源項(xiàng)目說明：需要多運(yùn)行幾次獲得開源項(xiàng)目的指令?！癵itclone”指令執(zhí)行成功后，可以在工作空間中的“src”目錄下找到剛下載的開源項(xiàng)目“wpr_simulation”的文件夾。3.1.1獲取開源項(xiàng)目（2）在src目錄下，繼續(xù)使用之前的終端，下載安裝此開源項(xiàng)目所需的依賴項(xiàng)，在終端中輸入以下指令。~/catkin_ws/src/wpr_simulation/scripts/install_for_noetic.sh指令運(yùn)行后系統(tǒng)會提示輸入管理員密碼，之后系統(tǒng)會自動安裝一系列此開源項(xiàng)目所需的依賴項(xiàng)，需要注意的是，有些依賴項(xiàng)需要手動輸入“Y”同意安裝。3.1.1獲取開源項(xiàng)目（3）接之前的終端，即在src終端中編譯此開源項(xiàng)目，如同第2章中的編譯工作空間一樣，依次在終端中輸入如下指令。cd~/catkin_wscatkin_make待開源項(xiàng)目編譯完成后，得到如圖3-2所示的界面。圖3-2開源項(xiàng)目編譯完成3.1.2URDF模型的結(jié)構(gòu)及慣性描述URDF與計(jì)算機(jī)文件中的文本格式（.txt）、圖像格式（.jpg）等類似，是一種基于XML規(guī)范、用于描述機(jī)器人結(jié)構(gòu)的格式。從機(jī)構(gòu)學(xué)角度講，機(jī)器人通常被建模為由連桿和關(guān)節(jié)組成的結(jié)構(gòu)。連桿是帶有質(zhì)量屬性的剛體，而關(guān)節(jié)是連接、限制兩個(gè)剛體相對運(yùn)動的結(jié)構(gòu)。關(guān)節(jié)也被稱為運(yùn)動副。通過關(guān)節(jié)將連桿依次連接起來，就構(gòu)成了一個(gè)個(gè)運(yùn)動鏈（也就是這里所定義的URDF模型）。一個(gè)URDF文檔就描述了這樣的一系列關(guān)節(jié)與連桿的相對關(guān)系、慣性屬性、幾何特點(diǎn)和碰撞模型。具體來說，它包括機(jī)器人模型的運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)描述、機(jī)器人的幾何表示和機(jī)器人的碰撞模型。在一個(gè)URDF文件中，通常存在一個(gè)或多個(gè)<joint>和<link>及一個(gè)<robot>，其中<robot>為根節(jié)點(diǎn)，<joint>為關(guān)節(jié)子節(jié)點(diǎn)，<link>為連桿子節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)組合形成機(jī)器人完整的模型。其中，<joint>僅起到連接的作用，參數(shù)基本固定，而<link>通常描述的是機(jī)器人的某個(gè)零件，因此參數(shù)會根據(jù)零件不同而復(fù)雜多變，如慣性屬性、幾何特點(diǎn)和碰撞模型等參數(shù)都放在<link>中進(jìn)行描述。以上信息概括起來就是，URDF是由一個(gè)聲明信息和兩個(gè)關(guān)鍵組件共同組成的。

3.1.2URDF模型的結(jié)構(gòu)及慣性描述1）聲明信息聲明信息包含兩部分，第一部分是xml的聲明信息，放在第一行，格式如下。<?xmlversion="1.0"？>第二部分是機(jī)器人的聲明，通過robot標(biāo)簽就可以聲明一個(gè)機(jī)器人模型，格式如下。

<robotname="wpb_home_gazebo"></robot>2）組件信息機(jī)器人輪子、IMU和雷達(dá)等稱為機(jī)器人的link。link與link之間的連接部分稱為joint關(guān)節(jié)。先給每個(gè)link和joint取個(gè)名字，然后就可以用link和joint來描述機(jī)器人。

3.1.2URDF模型的結(jié)構(gòu)及慣性描述

3）link寫法通過link標(biāo)簽聲明一個(gè)link，再用屬性name指定部件名稱。

<linkname="base_footprint"></link>

通過以上兩行代碼可以定義好base_link，但現(xiàn)在base_link是空的，需要聲明base_link長什么樣子，通過visual子標(biāo)簽就可以聲明機(jī)器人的visual形狀。link子標(biāo)簽列表visual顯示形狀<geometry>（幾何形狀）3.1.2URDF模型的結(jié)構(gòu)及慣性描述4）joint寫法joint是機(jī)器人關(guān)節(jié)，機(jī)器人關(guān)節(jié)用于連接機(jī)器人連桿，也就是連接機(jī)器人部件，主要寫明父子關(guān)系。案例：先建立一個(gè)雷達(dá)部件laser_link，然后將其固定到base_link，相關(guān)代碼如下。<?xmlversion="1.0"?><robotname="fishbot"><!--baselink--><linkname="base_link"><visual><originxyz="000.0"rpy="000"/><geometry><cylinderlength="0.12"radius="0.10"/></geometry></visual></link><!--laserlink--><linkname="laser_link"><visual><originxyz="000"rpy="000"/><geometry><cylinderlength="0.02"radius="0.02"/></geometry><materialname="black"><colorrgba="0.00.00.00.5"/></material></visual></link>3.1.2URDF模型的結(jié)構(gòu)及慣性描述<!--laserjoint--><jointname="laser_joint"type="fixed"><parentlink="base_link"/><childlink="laser_link"/><originxyz="000.075"/></joint>

</robot>代碼中的主要參數(shù)意義如下。joint：標(biāo)簽的屬性。name：關(guān)節(jié)名稱。type：關(guān)節(jié)類型。不同類型的關(guān)節(jié)參數(shù)如下。（1）revolute：旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，繞單軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度有上限和下限，如舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度為0°～180°。（2）continuous：旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，可以繞單軸無限旋轉(zhuǎn)，如自行車的前后輪。（3）fixed：固定關(guān)節(jié)，不允許運(yùn)動的特殊關(guān)節(jié)。（4）prismatic：滑動關(guān)節(jié)，沿某一軸線移動的關(guān)節(jié)，有位置極限。（5）planer：平面關(guān)節(jié)，允許在x、y、z、roll、pitch、yaw六個(gè)方向運(yùn)動。（6）floating：浮動關(guān)節(jié)，允許進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。3.1.2URDF模型的結(jié)構(gòu)及慣性描述5）具體實(shí)例在開源項(xiàng)目“wpr_simulation”中，URDF文件儲存在models文件夾中，以“wpb_home.model”為例，截取其中第20行至第52行代碼，具體如下。<linkname="base_link"><visual><geometry><boxsize="0.010.010.001"/></geometry><originrpy="000"xyz="000"/></visual></link>

<!--body--><linkname="body_link"><visual><geometry><meshfilename="package://wpr_simulation/meshes/wpb_home/

wpb_home_std.dae"scale="111"/></geometry><originrpy="1.5701.57"xyz="-.225-0.2250"/></visual><collision><originxyz="0.0010.065"rpy="000"/><geometry><cylinderlength="0.13"radius="0.226"/></geometry>3.1.2URDF模型的結(jié)構(gòu)及慣性描述</collision><inertial><massvalue="20"/><inertialixx="4.00538"ixy="0.0"ixz="0.0"iyy="4.00538"iyz="0.0"izz="0.51076"/></inertial></link><jointname="base_to_body"type="fixed"><parentlink="base_link"/><childlink="body_link"/><originrpy="000"xyz="000"/><!--pos--></joint>可以看到，其中有兩組<link>和一組<joint>。其中具體參數(shù)信息如下。（1）base_link。其位于代碼的第20行至第27行，其中g(shù)eometry之間的代碼為仿真里顯示的模型，這里為“<boxsize="0.010.010.001"/>”，轉(zhuǎn)換為模型就是長和寬都為0.01米、高為0.001米的長方體，可以看出這個(gè)長方體非常小，它的主要作用就是標(biāo)記坐標(biāo)原點(diǎn)。位于origin后的“rpy="000"xyz="000"”表示的是geometry中的模型位于base_link原點(diǎn)坐標(biāo)系的位置，其中“rpy”中的“r”“p”“y”分別表示“roll”“pitch”“yaw”，即翻滾角、俯仰角和航向角，單位為弧度；“xyz”中的“x”“y”“z”分別表示模型相對于base_link坐標(biāo)原點(diǎn)的偏移量，單位是米。3.1.2URDF模型的結(jié)構(gòu)及慣性描述（2）body_link。位于代碼的第30行至第47行，其中第31行至第36行的visual之間的代碼為三維模型的參數(shù)設(shè)置，這里的參數(shù)和base_link中作用相同，為顯示的模型，只不過這里是調(diào)用了名為“wpb_home_std.dae”的模型文件。origin后的參數(shù)同樣為模型在坐標(biāo)系中偏移的參數(shù)。位于代碼的第37行至第42行的collision之間的代碼作用是對碰撞模型進(jìn)行設(shè)置，和前面相同，geometry之間設(shè)置的是具體模型，這里的模型是高為0.13米、半徑為0.226米的圓柱體。origin后仍為對其位于body_link坐標(biāo)系中的位置的設(shè)定，通過這項(xiàng)設(shè)定，可以將碰撞模型和機(jī)器人模型重合在一起，使得碰撞模型正常生效。位于代碼的第43行至第46行的inertial之間的代碼作用是對機(jī)器人部件的質(zhì)量和慣性張量進(jìn)行設(shè)置，其中mass后設(shè)置的是質(zhì)量，單位為千克；inertial后設(shè)置的是機(jī)器人部件的慣性張量，其具體數(shù)學(xué)描述如式（3-1）所示。零件的形狀尺寸和質(zhì)量都會對其產(chǎn)生影響，可以根據(jù)零件的形狀查找相應(yīng)的公式進(jìn)行計(jì)算。（3-1）3.1.2URDF模型的結(jié)構(gòu)及慣性描述（3）base_to_body。位于代碼的第48行至第52行，在第48行對其名稱及類型進(jìn)行了設(shè)定，其中parentlink為父link，通常是靠近根關(guān)節(jié)的link；childlink為子link，是靠近末端關(guān)節(jié)的link；origin后設(shè)置的是子關(guān)節(jié)坐標(biāo)系在父關(guān)節(jié)坐標(biāo)系中的位置和姿態(tài)。3.1.3常用的慣性參數(shù)機(jī)器人的零件通常具有多個(gè)異構(gòu)特征，想要精確地計(jì)算其慣性張量比較復(fù)雜，因此通常會對其進(jìn)行抽象處理，去除其異構(gòu)特點(diǎn)，將其表述為單個(gè)形狀，如圓柱體、圓錐體、球體和長方體。1）圓柱體一個(gè)半徑為r、高為h、質(zhì)量為m的實(shí)心圓柱體，其慣性張量如式（3-2）所示。（3-2）3.1.3常用的慣性參數(shù)2）圓錐體一個(gè)半徑為r、高為h、質(zhì)量為m的實(shí)心圓錐體，其慣性張量如式（3-3）所示。（3-3）3）球體一個(gè)半徑為r、質(zhì)量為m的實(shí)心球體，其慣性張量如式（3-4）所示。（3-4）3.1.3常用的慣性參數(shù)4）長方體一個(gè)長為d、寬為w、高為h、質(zhì)量為m的實(shí)心長方體，其慣性張量如式（3-5）所示。（3-5）3.2在URDF模型內(nèi)對各傳感器進(jìn)行描述

3.2.1運(yùn)動底盤各傳感器參數(shù)繼續(xù)看回“wpb_home.model”文件，代碼的第229行至第238行描述了一個(gè)全向移動底盤在仿真軟件Gazebo中的參數(shù)，具體代碼如下。<gazebo><pluginname="base_controller"filename="libwpr_plugin.so"><publishOdometryTf>true</publishOdometryTf><commandTopic>cmd_vel</commandTopic><odometryTopic>odom</odometryTopic><odometryFrame>odom</odometryFrame><odometryRate>20.0</odometryRate><robotBaseFrame>base_footprint</robotBaseFrame></plugin></gazebo>里面的具體參數(shù)如下。（1）pluginname：運(yùn)動底盤插件的名稱，filename為調(diào)用的空文件名稱。（2）publishOdometryTf：設(shè)置是否發(fā)布里程計(jì)數(shù)據(jù)。（3）commandTopic：控制底盤移動的ROS主題名稱，這里為cmd_vel，這個(gè)主題會發(fā)布速度信息。（4）odometryTopic：發(fā)布里程計(jì)數(shù)據(jù)的主題名稱。（5）odometryFrame：里程計(jì)數(shù)據(jù)中里程計(jì)坐標(biāo)系的名稱。（6）odometryRate：里程計(jì)發(fā)布主題的發(fā)布頻率，這里為20赫茲。（7）robotBaseFrame：里程計(jì)數(shù)據(jù)中機(jī)器人坐標(biāo)系的名稱。3.2.2激光雷達(dá)參數(shù)此模型文件中包含激光雷達(dá)的描述，型號為rplidarA2，位于代碼的第241行至第271行，具體代碼如下。<gazeboreference="laser"><sensortype="ray"name="rplidar_sensor"><pose>000.06000</pose><visualize>true</visualize><update_rate>10</update_rate><ray><scan><horizontal><samples>360</samples><resolution>1</resolution><min_angle>-3.14159265</min_angle><max_angle>3.14159265</max_angle></horizontal></scan><range><min>0.24</min><max>10.0</max><resolution>0.01</resolution></range><noise><type>gaussian</type><mean>0.0</mean><stddev>0.01</stddev></noise></ray><pluginname="rplidar_ros_controller"filename="libgazebo_ros_laser.so"><topicName>scan</topicName><frameName>laser</frameName></plugin></sensor></gazebo>3.2.2激光雷達(dá)參數(shù)里面的具體參數(shù)如下。（1）gazeboreference：傳感器在模型中的位置，這里將其與link“l(fā)aser”綁定，我們可以在代碼的第127行找到此link。（2）sensor：type是設(shè)定傳感器的探測類型，name是對傳感器進(jìn)行命名。（3）pose：傳感器相對所綁定link的坐標(biāo)系的偏移量。（4）visualize：設(shè)置激光射線是否可見。（5）update_rate：數(shù)據(jù)輸出頻率，這里設(shè)置為10赫茲。（6）horizontal：激光雷達(dá)掃描具體參數(shù)，samples為掃描度數(shù)范圍，這里為360°；resolution為1°范圍內(nèi)射出的激光數(shù)量；min_angle和max_angle分別為激光初射及終止角度，為弧度制。（7）range：激光雷達(dá)掃描范圍，單位為米；resolution為激光測距精度，單位是米。（8）noise：人為設(shè)置噪聲，用于模擬真實(shí)環(huán)境。（9）plugin：name為插件的名稱；filename為調(diào)用的庫文件名稱。（10）topicName：仿真數(shù)據(jù)發(fā)布的主題名稱。（11）frameName：仿真數(shù)據(jù)中的坐標(biāo)系名稱。3.2.3深度相機(jī)參數(shù)此模型文件中包含深度相機(jī)的描述，型號為Kinectv2，位于代碼的第274行至第372行，其分為三個(gè)部分：深度圖像數(shù)據(jù)、高清彩色圖像數(shù)據(jù)和半高清彩色圖像數(shù)據(jù)。1）深度圖像數(shù)據(jù)深度圖像數(shù)據(jù)位于代碼的第274行至第314行，具體內(nèi)容如下。<gazeboreference="kinect2_head_frame"><sensortype="depth"name="kinect2_depth_sensor"><always_on>true</always_on><update_rate>10.0</update_rate><cameraname="kinect2_depth_sensor"><horizontal_fov>1.221730456</horizontal_fov><image><width>512</width><height>424</height><format>B8G8R8</format></image><clip><near>0.5</near><far>6.0</far></clip><noise><type>gaussian</type><mean>0.1</mean><stddev>0.07</stddev></noise>3.2.3深度相機(jī)參數(shù)</camera><pluginname="kinect2_depth_control"filename="libgazebo_ros_openni_kinect.so"><cameraName>kinect2/sd</cameraName><alwaysOn>true</alwaysOn><updateRate>20.0</updateRate><imageTopicName>image_ir_rect</imageTopicName><depthImageTopicName>image_depth_rect</depthImageTopicName><pointCloudTopicName>points</pointCloudTopicName><cameraInfoTopicName>depth_camera_info</cameraInfoTopicName><frameName>kinect2_ir_optical_frame</frameName><pointCloudCutoff>0.5</pointCloudCutoff><pointCloudCutoffMax>6.0</pointCloudCutoffMax><baseline>0.1</baseline><distortionK1>0.0</distortionK1><distortionK2>0.0</distortionK2><distortionK3>0.0</distortionK3><distortionT1>0.0</distortionT1><distortionT2>0.0</distortionT2></plugin></sensor></gazebo>3.2.3深度相機(jī)參數(shù)里面的具體參數(shù)如下。（1）gazeboreference：傳感器在模型中的位置，這里將其與link“kinect2_head_frame”綁定，我們可以在代碼的第157行找到此link。（2）sensor：傳感器類型及命名。（3）always_on：是否隨著模型加載自動輸出數(shù)據(jù)。（4）update_rate：仿真數(shù)據(jù)輸出頻率，這里設(shè)置為10赫茲。（5）cameraname：傳感器在URDF模型里的名稱。（6）horizontal_fov：相機(jī)的水平視角，單位為弧度。（7）image：包括三個(gè)參數(shù)，描述深度圖像尺寸和數(shù)據(jù)格式。（8）clip：成像范圍，只有在參數(shù)之間的物體才會成像。（9）noise：模擬真實(shí)場景添加的動態(tài)噪聲。（10）plugin：name為插件名稱；filename為調(diào)用的庫文件名稱。（11）cameraName：相機(jī)發(fā)布的主題的名稱。（12）imageTopicName：深度圖像轉(zhuǎn)換成8位灰度圖像后發(fā)布的主題名稱。（13）depthImageTopicName：發(fā)布的深度圖像原始數(shù)據(jù)主題名稱。（14）pointCloudTopicName：發(fā)布的三維點(diǎn)云主題名稱。（15）cameraInfoTopicName：發(fā)布的相機(jī)參數(shù)信息主題名稱。（16）frameName：深度圖像和三維點(diǎn)云中的坐標(biāo)系名稱。（17）pointCloudCutoff：三維點(diǎn)云采樣范圍。（18）baseline：三維成像的基線距離，單位為米。（19）distortion：三維成像的畸變參數(shù)。3.2.3深度相機(jī)參數(shù)2）高清彩色圖像數(shù)據(jù)高清彩色圖像數(shù)據(jù)位于代碼的第315行至第345行，具體內(nèi)容如下。<gazeboreference="kinect2_rgb_optical_frame"><sensortype="camera"name="kinect2_rgb_sensor"><always_on>true</always_on><update_rate>20.0</update_rate><cameraname="kinect2_rgb_sensor"><horizontal_fov>1.221730456</horizontal_fov><image><width>1920</width><height>1080</height><format>B8G8R8</format></image><clip><near>0.2</near><far>10.0</far></clip><noise><type>gaussian</type><mean>0.0</mean><stddev>0.007</stddev></noise>3.2.3深度相機(jī)參數(shù)<type>gaussian</type><mean>0.0</mean><stddev>0.007</stddev></noise></camera><pluginname="kinect2_rgb_controller"filename="libgazebo_ros_camera.so"><alwaysOn>true</alwaysOn><update_rate>20.0</update_rate><cameraName>kinect2/hd</cameraName><imageTopicName>image_color_rect</imageTopicName><cameraInfoTopicName>camera_info</cameraInfoTopicName><frameName>kinect2_rgb_optical_frame</frameName></plugin></sensor></gazebo>3.2.3深度相機(jī)參數(shù)里面的具體參數(shù)如下。（1）gazeboreference：傳感器在模型中的位置，這里將其與link“kinect2_rgb_optical_frame”綁定，我們可以在代碼的第214行找到此link。（2）sensor：傳感器類型及命名。（3）always_on：是否隨著模型加載自動輸出數(shù)據(jù)。（4）update_rate：仿真數(shù)據(jù)輸出頻率，這里設(shè)置為20赫茲。（5）cameraname：傳感器在URDF模型里的名稱。（6）horizontal_fov：相機(jī)的水平視角，單位為弧度。（7）image：包括三個(gè)參數(shù)，描述高清彩色圖像尺寸和數(shù)據(jù)格式。（8）clip：成像范圍，只有在參數(shù)之間的物體才會成像。（9）noise：模擬真實(shí)場景添加的動態(tài)噪聲。（10）plugin：name為插件名稱；filename為調(diào)用的庫文件名稱。（11）cameraName：相機(jī)發(fā)布的主題的名稱。（12）imageTopicName：發(fā)布的高清彩色圖像主題名稱。（13）cameraInfoTopicName：發(fā)布的相機(jī)參數(shù)信息主題名稱。（14）frameName：高清彩色圖像中的坐標(biāo)系名稱。3.2.3深度相機(jī)參數(shù)3）半高清彩色圖像數(shù)據(jù)半高清彩色圖像數(shù)據(jù)位于代碼的第347行至第372行，具體內(nèi)容如下。<gazeboreference="kinect2_head_frame"><sensortype="camera"name="kinect2_qhd_rgb_sensor"><always_on>true</always_on><update_rate>20.0</update_rate><cameraname="kinect2_qhd_rgb_sensor"