《鴻蒙機(jī)器人編程》7-仿真工具Gazebo及URDF-教案

仿真工具Gazebo與URDFurdf介紹urdf（unifiedrobotdescriptionformat）是ROS中描述機(jī)器人的一種語言，在ROS開發(fā)中占據(jù)了非常重要的地位。urdf主要用途在于標(biāo)識機(jī)器人物理模型有哪些部件、每個部件的尺寸、部件間以何種關(guān)節(jié)連接、關(guān)節(jié)限制等，可容易實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)空間坐標(biāo)與笛卡爾坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，如配合robot_state_publisher包使用，可根據(jù)關(guān)節(jié)的值確定出部件的位置和姿態(tài)。urdf定義了一系列XML標(biāo)簽來描述機(jī)器人模型，最核心的兩個標(biāo)簽為：<link>——機(jī)器人部件/連桿/剛體，<joint>——機(jī)器人關(guān)節(jié)/運(yùn)動副。<robot>標(biāo)簽為根標(biāo)簽，是其它標(biāo)簽的容器，其作用類似于launch文件中的launch標(biāo)簽。它有一個屬性name，用來設(shè)置機(jī)器人的名字。如下如所示：<link>標(biāo)簽用于描述機(jī)器人某個部件(也即剛體部分)的外觀和物理屬性。機(jī)器人底座、輪子、激光雷達(dá)、攝像頭等，每個部件都對應(yīng)一個link。在link標(biāo)簽內(nèi)，可以設(shè)計該部件的形狀、尺寸、顏色、慣性矩陣、碰撞參數(shù)等一系列屬性。屬性name用于設(shè)置部件名字。下圖為一些子標(biāo)簽具體設(shè)置：<joint>標(biāo)簽用于描述機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)屬性，還可以指定關(guān)節(jié)運(yùn)動的安全極限。機(jī)器人的兩個部件(parentlink與childlink)以"關(guān)節(jié)"的形式相連接，不同的關(guān)節(jié)有不同的運(yùn)動形式:旋轉(zhuǎn)、滑動、固定、旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)角度限制。屬性name，設(shè)置關(guān)節(jié)的名字；屬性type，設(shè)置關(guān)節(jié)類型。以下是一些Joint類：Revolute：轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，但是有轉(zhuǎn)動范圍，必須要求之后的limit參數(shù)中必須含有上下界才合法。Continuous：連續(xù)轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，沒有轉(zhuǎn)動范圍。Prismatic：平動關(guān)節(jié)，也需要上下界的定義。Fixed：完全固定，連接的兩個link幷沒有可動關(guān)系，可以理解為純粹為了標(biāo)識固定傳感器相對位置與姿態(tài)而設(shè)立的。Floating：允許link與link之間有完全6個自由度的轉(zhuǎn)換，跟fixed一樣，一般是標(biāo)識一些環(huán)境物體或者無人機(jī)在全局位置姿態(tài)的。Planar：與floating類似，用于標(biāo)識地面機(jī)器人在地面上的位置姿態(tài)。Gearbox：描述了齒輪傳動的轉(zhuǎn)動關(guān)系。Ball：球關(guān)節(jié)，兩個轉(zhuǎn)動自由度的合成。Screw：類似于螺絲的運(yùn)動，單個自由度，但轉(zhuǎn)動與平動位移的合成。取消了floating與planar。下圖為一些子標(biāo)簽具體設(shè)置：urdf本身設(shè)計有一些缺陷。整個joint與link成樹狀描述，而機(jī)器人存在一些的物理模型例如并聯(lián)機(jī)構(gòu)，環(huán)狀機(jī)構(gòu)等就無法表示。一些標(biāo)簽設(shè)置也不是非常合理，還有整個xml語法上也不是非常靈活。這些問題的存在使urdf在一些情況中顯得非常雞肋，但是對于大部分移動機(jī)器人與機(jī)械臂，urdf已經(jīng)夠用，關(guān)鍵是已經(jīng)有大量現(xiàn)成工具，使得urdf在ROS中的地位還是不可撼動。XACRO宏介紹復(fù)雜的機(jī)器人常常有多達(dá)十幾個joint和link，許多joint或link非常相似，整個urdf文件顯得非常冗長、復(fù)雜，urdf文件中還經(jīng)常存在一些值計算依賴。XACRO是ROS中簡化大型xml文件的寫法、增加結(jié)構(gòu)性與擴(kuò)展性的XML宏語言,提供了屬性定義，數(shù)學(xué)運(yùn)算，條件判斷和宏定義等功能。使用宏能極大增加urdf文件的層次感與可讀性，在各個機(jī)器人公開的ROSurdfpackage中，基本都是用XACRO工具進(jìn)行組織。需要注意：必須在robot標(biāo)簽中加入xmlns:xacro="/wiki/xacro"屬性。屬性：使用<xacro:property>標(biāo)簽定義，用${屬性名稱}來調(diào)用該參數(shù)。如下圖所示：數(shù)學(xué)運(yùn)算：在變量的大括號中可以使用基本的數(shù)學(xué)運(yùn)算，可以使用Python數(shù)學(xué)模塊中的函數(shù)和常量。如下圖所示：條件判斷：表達(dá)式中的結(jié)果必須是0、1、true或false，在<expression>中任何結(jié)果為布爾值的Python表達(dá)式都是可以的。如下圖所示：宏定義：使用xacro:macro來定義一個宏，參數(shù)用空格分割，參數(shù)可以用:=來添加默認(rèn)值。如下圖所示：仿真簡述仿真/模擬（Simulation），泛指基于實(shí)驗或訓(xùn)練的目的，將原本的系統(tǒng)、事務(wù)或流程，建立一個模型以表征其關(guān)鍵特性(keycharacteristics)或者行為/功能，予以系統(tǒng)化與公式化，以便進(jìn)行可對關(guān)鍵特征做出模擬。當(dāng)所研究的系統(tǒng)造價昂貴、實(shí)驗的危險性大或需要很長的時間才能了解系統(tǒng)參數(shù)變化所引起的后果時，仿真是一種特別有效的研究手段。它廣泛應(yīng)用于電氣、機(jī)械、化工、水力、熱力、社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、管理等領(lǐng)域。重要工具就是計算機(jī)。ROS中的仿真軟件有g(shù)azebo、stage、matlab等。Gazebo仿真工具gazebo是一款開源免費(fèi)、功能強(qiáng)大的三維物理仿真平臺，具備強(qiáng)大的物理引擎，高質(zhì)量的圖形渲染，方便的編程與圖形接口。其典型應(yīng)用場景包括測試機(jī)器人算法、機(jī)器人的設(shè)計、現(xiàn)實(shí)情景下的回溯測試等等。gazebo能夠支持多種的物理引擎，例如ODE、bullet等等。它是一個3D圖形的仿真平臺，支持傳感器的模擬等很多插件，還提供了很多知名的機(jī)器人模型。它的傳輸協(xié)議是tcpip，非常便于編程。他還有一個云的仿真平臺，同時支持命令行工具。gazebo的架構(gòu)分成兩部分:gzserver和gzclient。gzserver負(fù)責(zé)產(chǎn)生傳感器數(shù)據(jù)、更新物理參數(shù)，可以運(yùn)行在云端；gzclient基于QT的用戶界面，控制仿真特性，可同時運(yùn)行多個人機(jī)界面。下圖為架構(gòu)示意圖：gazebo的運(yùn)行界面分為五個區(qū)域，分別為最大的3D視圖區(qū)，上方的工具欄區(qū)，模型列表區(qū)，模型屬性項區(qū)以及時間顯示區(qū)。Gazebo與ROS的接口為了實(shí)現(xiàn)ros和Gazebo的通信，我們定義了以下的接口：gazebo_ros主要用于gazebo接口封裝、gazebo服務(wù)端和客戶端的啟動、URDF模型生成等。gazebo_msgs是gazebo的Msg和Srv數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。gazebo_plugins-用于gazebo的通用傳感器插件。gazebo_ros_api_plugin和gazebo_ros_path_plugin這兩個Gazebo的插件實(shí)現(xiàn)接口封裝。安裝啟動如果你已經(jīng)成功安裝了桌面完整版的ROS，可以直接跳過這一步驟，否則，請使用如下命令進(jìn)行安裝：sudoapt-getinstallros-indigo-gazebo-ros-pkgsros-indigo-gazebo-ros-control我們可以通過命令啟動：roscorerosrungazebo_rosgazebo也可以通過launch文件啟動：roslaunchgazebo_rosempty_world.launch這個launch文件實(shí)際上主要啟動了兩個node節(jié)點(diǎn)一個node節(jié)點(diǎn)就是gazeboserver，另一個node節(jié)點(diǎn)就是gazeboclient。這里面設(shè)置了一些參數(shù)：paused-以暫停狀態(tài)啟動Gazebo，默認(rèn)為false。use_sim_time-ROS的node是否使用Gazebo通過/clocktopic發(fā)布的仿真時間，默認(rèn)為true。gui-啟用Gazebo的用戶交互接口來控制視圖，默認(rèn)為true。headless-禁用仿真渲染組件的功能，當(dāng)gui:=true時，不能使能此參數(shù)，默認(rèn)為false。debug-在gdb中啟動gzserver(GazeboServer)以用于調(diào)試，默認(rèn)為false。world_name以相對路徑指定了world模型的定義文件，絕對路徑由GAZEBO_RESOURCE_PATH這個環(huán)境變量決定。默認(rèn)為/usr/share/gazebo-x.x，對indigo版本來說為/usr/share/gazebo-2.2。建議：為保證模型順利加載，請?zhí)崆皩⒛Ｐ臀募螺d并放置到本地路徑下。（/osrf/gazebo_models/downloads/）創(chuàng)建仿真環(huán)境模型庫加載完后，就可以直接添加環(huán)境模型，如下圖所示。我們還可以通過buildingeditor這個頁面自己去創(chuàng)建。修改機(jī)器人模型Gazebo使用SDF仿真描述格式定義仿真環(huán)境和模型，而ROS使用URDF通用機(jī)器人描述格式來定義機(jī)器人模型，且此格式定義的文件不能直接用于Gazebo，使用中需加以轉(zhuǎn)換，添加用于描述仿真定義的標(biāo)簽。必須步驟：

（1）在每一個<link>內(nèi)添加<inertia>標(biāo)簽。（2）向URDF文件中的joint添加<transmission>標(biāo)簽。代碼如下：向URDF文件中添加ros_control插件，并添加相應(yīng)插件的controller配置文件。ros_control是為用戶提供的應(yīng)用與機(jī)器人之間的中間件，包含一系列控制器接口、傳動裝置接口、硬件接口、控制器工具箱等等，可以幫助機(jī)器人應(yīng)用快速落地，提高開發(fā)效率。對不同類型的控制器（底盤、機(jī)械臂等），ros_control可以提供多種類型的控制器。但是這些控制器的接口各不相同，為了提高代碼的復(fù)用率，ros_control還提供一個硬件的抽象層。它的構(gòu)成有以下幾個部分：ControllerManager：機(jī)器人可能有多個controller，管理器提供一種通用的接口來管理不同的controller。Controller：完成每個joint的控制，請求下層的硬件資源，提供了PID控制器，讀取硬件資源狀態(tài)，在發(fā)布控制命令。HardwareRescource：為上下兩層提供硬件資源的接口。RobotHW：硬件抽象層和硬件直接打交道，通過write和read方法來完成硬件的操作。RealRobot：要有自己的嵌入式控制器?？蛇x步驟

：（1）在每一個<link>內(nèi)添加<gazebo>標(biāo)簽。將外觀顏色轉(zhuǎn)換成Gazebo格式；將stl文件轉(zhuǎn)換成dae文件，獲得更好的渲染效果；添加傳感器插件。（2）在每一個<joint>內(nèi)添加<gazebo>標(biāo)簽。設(shè)置適當(dāng)?shù)淖枘釀恿ο禂?shù)；添加執(zhí)行器控制插件。（3）在<robot>標(biāo)簽內(nèi)添加<gazebo>。模型加載接下來，我們要把模型加載到gazebo里。一種方式是用gazebo_ros功能包下名為spawn_model的python腳本，通過封裝接口向Gazebo發(fā)起服務(wù)調(diào)用，請求加載指定的URDF文件。rosrungazebo_rosspawn_model-file`rospackfindbaxter_description`/urdf/baxter.urdf-urdf-z1-modelbaxter我們也可以通過launch文件完成加載。對于xacro格