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ROS仿真小车（二）——添加摄像头雷达传感器_ros小车仿真

作者：AllinToyou | 2024-05-29 15:10:04

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ros小车仿真

文章目录

前言
一、在 Rviz 中显示一个盒状机器人
二、创建一个四轮圆柱状机器人模型
参考

前言

系列文章目录：

ROS仿真小车（一）—— urdf模型+rviz可视化

[ROS仿真小车（二）——添加摄像头雷达传感器]

ROS仿真小车（三）——rviz控制机器人模型运动

ROS仿真小车（四）—— URDF与Gazebo集成

一、在 Rviz 中显示一个盒状机器人

结果演示:
在这里插入图片描述

1.1 创建ROS功能包

找一个空闲地方，新建文件夹catkin_ws01，输入以下命令
在这里插入图片描述

导入依赖，在src目录下输入以下命令：

catkin_create_pkg jubot_demo urdf xacro #创建功能包、添加依赖
cd jubot_demo/
mkdir urdf
mkdir launch
mkdir meshes #存放渲染机器人模型的文件
mkdir config #存放rviz配置的文件
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urdf文件夹中添加一个box_urdf.urdf文件,复制如下内容:

<robot name="mycar">
    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.5 0.2 0.1" />
            </geometry>
        </visual>
    </link>
</robot>
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1.2 在 launch 文件中集成 URDF 与 Rviz

在launch目录下，新建一个 box_launch.launch 文件，该 launch 文件需要启动 Rviz，并导入 urdf 文件，Rviz 启动后可以自动载入解析urdf文件，并显示机器人模型，核心问题:如何导入 urdf 文件? 在 ROS 中，可以将 urdf 文件的路径设置到参数服务器，使用的参数名是:robot_description,示例代码如下:

<launch>

    <!-- 设置参数 -->
    <param name="robot_description" textfile="$(find jubot_demo)/urdf/box_urdf.urdf" />

    <!-- 启动 rviz -->
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" />

</launch>

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1.3 在 Rviz 中显示机器人模型

同理先进行编译，再配置环境变量，然后启动rviz
在这里插入图片描述

rviz 启动后，会发现并没有盒装的机器人模型，这是因为默认情况下没有添加机器人显示组件，需要手动添加，添加方式如下
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述设置完毕后，可以正常显示了

1.4 优化 rviz 启动

重复启动launch文件时，Rviz 之前的组件配置信息不会自动保存，需要重复执行步骤4的操作，为了方便使用，可以使用如下方式优化:

首先，将当前配置保存进config目录
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

然后，launch文件中 Rviz 的启动配置添加参数:args,值设置为-d 配置文件路径

<launch>
    <param name="robot_description" textfile="$(find 包名)/urdf/urdf/urdf01_HelloWorld.urdf" />
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find 报名)/config/rviz/show_mycar.rviz" />
</launch>
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现在的launch文件如下：

<launch>
    <!-- 设置参数 -->
    <param name="robot_description" textfile="$(find jubot_demo)/urdf/box_urdf.urdf" />

    <!-- 启动 rviz -->
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" />

<param name="robot_description" textfile="$find jubot_demo)/urdf/box_urdf.urdf" />
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find jubot_demo)/config/rviz/show_mycar.rviz" />
</launch>
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再启动时，就可以包含之前的组件配置了，使用更方便快捷。

二、创建一个四轮圆柱状机器人模型

需求描述:
创建一个四轮圆柱状机器人模型，机器人参数如下,底盘为圆柱状，半径 10cm，高 8cm，四轮由两个驱动轮和两个万向支撑轮组成，两个驱动轮半径为 3.25cm,轮胎宽度1.5cm，两个万向轮为球状，半径 0.75cm，底盘离地间距为 1.5cm(与万向轮直径一致)

结果演示:
在这里插入图片描述
实现流程:

创建机器人模型可以分步骤实现
新建 urdf 文件，并与 launch 文件集成
搭建底盘
在底盘上添加两个驱动轮
在底盘上添加两个万向轮

2.1 配置urdf和launch文件

在一的urdf和launch文件基础上进行修改

box_urdf.urdf文件

<!-- <robot name="mycar">
    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.5 0.2 0.1" />
            </geometry>
        </visual>
    </link>
</robot> -->



<robot name="mycar">
  <!-- 设置 base_footprint  -->
  <link name="base_footprint">
    <visual>
      <geometry>
        <sphere radius="0.001" />
      </geometry>
    </visual>
  </link>

  <!-- 添加底盘 -->
  <!-- 
        参数
            形状:圆柱 
            半径:10     cm 
            高度:8      cm 
            离地:1.5    cm

    -->
  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder radius="0.1" length="0.08" />
      </geometry>
      <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
      <material name="yellow">
        <color rgba="0.8 0.3 0.1 0.5" />
      </material>
    </visual>
  </link>

  <joint name="base_link2base_footprint" type="fixed">
    <parent link="base_footprint" />
    <child link="base_link"/>
    <origin xyz="0 0 0.055" />
  </joint>

  <!-- 添加驱动轮 -->
  <!-- 添加驱动轮 -->
  <!--
        驱动轮是侧翻的圆柱
        参数
            半径: 3.25 cm
            宽度: 1.5  cm
            颜色: 黑色
        关节设置:
            x = 0
            y = 底盘的半径 + 轮胎宽度 / 2
            z = 离地间距 + 底盘长度 / 2 - 轮胎半径 = 1.5 + 4 - 3.25 = 2.25(cm)
            axis = 0 1 0
    -->
  <link name="left_wheel">
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder radius="0.0325" length="0.015" />
      </geometry>
      <origin xyz="0 0 0" rpy="1.5705 0 0" />
      <material name="black">
        <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
      </material>
    </visual>

  </link>

  <joint name="left_wheel2base_link" type="continuous">
    <parent link="base_link" />
    <child link="left_wheel" />
    <origin xyz="0 0.1 -0.0225" />
    <axis xyz="0 1 0" />
  </joint>


  <link name="right_wheel">
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder radius="0.0325" length="0.015" />
      </geometry>
      <origin xyz="0 0 0" rpy="1.5705 0 0" />
      <material name="black">
        <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
      </material>
    </visual>

  </link>

  <joint name="right_wheel2base_link" type="continuous">
    <parent link="base_link" />
    <child link="right_wheel" />
    <origin xyz="0 -0.1 -0.0225" />
    <axis xyz="0 1 0" />

  </joint>


  <!-- 添加万向轮(支撑轮) -->
  <!-- 添加万向轮(支撑轮) -->
  <!--
        参数
            形状: 球体
            半径: 0.75 cm
            颜色: 黑色

        关节设置:
            x = 自定义(底盘半径 - 万向轮半径) = 0.1 - 0.0075 = 0.0925(cm)
            y = 0
            z = 底盘长度 / 2 + 离地间距 / 2 = 0.08 / 2 + 0.015 / 2 = 0.0475 axis= 1 1 1

    -->
  <link name="front_wheel">
    <visual>
      <geometry>
        <sphere radius="0.0075" />
      </geometry>
      <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
      <material name="black">
        <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
      </material>
    </visual>
  </link>

  <joint name="front_wheel2base_link" type="continuous">
    <parent link="base_link" />
    <child link="front_wheel" />
    <origin xyz="0.0925 0 -0.0475" />
    <axis xyz="1 1 1" />
  </joint>

  <link name="back_wheel">
    <visual>
      <geometry>
        <sphere radius="0.0075" />
      </geometry>
      <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
      <material name="black">
        <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
      </material>
    </visual>
  </link>

  <joint name="back_wheel2base_link" type="continuous">
    <parent link="base_link" />
    <child link="back_wheel" />
    <origin xyz="-0.0925 0 -0.0475" />
    <axis xyz="1 1 1" />
  </joint>
</robot>

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box_launch.launch文件

<launch>

  <!-- 将 urdf 文件内容设置进参数服务器 -->
  <param name="robot_description" textfile="$(find jubot_demo)/urdf/box_urdf.urdf" />

  <!-- 启动 rviz -->
  <!-- <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" /> -->
  <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find jubot_demo)/config/rviz/show_four_wheel_car.rviz" />

  <!-- 启动机器人状态和关节状态发布节点 -->
  <node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" />
  <node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher" />

  <!-- 启动图形化的控制关节运动节点 -->
  <node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" />


</launch>
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然后启动roslaunch，在rviz中显示机器人模型：
在这里插入图片描述

2.2 URDF优化_xacro

前面 URDF 文件构建机器人模型的过程中，存在若干问题。

问题1:在设计关节的位置时，需要按照一定的公式计算，公式是固定的，但是在 URDF 中依赖于人工计算，存在不便，容易计算失误，且当某些参数发生改变时，还需要重新计算。
问题2:URDF 中的部分内容是高度重复的，驱动轮与支撑轮的设计实现，不同轮子只是部分参数不同，形状、颜色、翻转量都是一致的，在实际应用中，构建复杂的机器人模型时，更是易于出现高度重复的设计，按照一般的编程涉及到重复代码应该考虑封装。

如果在编程语言中，可以通过变量结合函数直接解决上述问题，在 ROS 中，已经给出了类似编程的优化方案，称之为:Xacro

概念
Xacro 是 XML Macros 的缩写，Xacro 是一种 XML 宏语言，是可编程的 XML。

原理
Xacro 可以声明变量，可以通过数学运算求解，使用流程控制控制执行顺序，还可以通过类似函数的实现，封装固定的逻辑，将逻辑中需要的可变的数据以参数的方式暴露出去，从而提高代码复用率以及程序的安全性。

作用
较之于纯粹的 URDF 实现，可以编写更安全、精简、易读性更强的机器人模型文件，且可以提高编写效率。

2.2.1 配置xacro文件

在urdf文件夹下新建一个xacro文件夹，在文件夹中新建my_base.urdf.xacro文件
在这里插入图片描述

2.2.2 编写 Xacro 文件

<!--
    使用 xacro 优化 URDF 版的小车底盘实现：

    实现思路:
    1.将一些常量、变量封装为 xacro:property
      比如:PI 值、小车底盘半径、离地间距、车轮半径、宽度 ....
    2.使用 宏 封装驱动轮以及支撑轮实现，调用相关宏生成驱动轮与支撑轮

-->
<!-- 根标签，必须声明 xmlns:xacro -->
<robot name="my_base" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro">
    <!-- 封装变量、常量 -->
    <xacro:property name="PI" value="3.141"/>
    <!-- 宏:黑色设置 -->
    <material name="black">
        <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
    </material>
    <!-- 底盘属性 -->
    <xacro:property name="base_footprint_radius" value="0.001" /> <!-- base_footprint 半径  -->
    <xacro:property name="base_link_radius" value="0.1" /> <!-- base_link 半径 -->
    <xacro:property name="base_link_length" value="0.08" /> <!-- base_link 长 -->
    <xacro:property name="earth_space" value="0.015" /> <!-- 离地间距 -->

    <!-- 底盘 -->
    <link name="base_footprint">
      <visual>
        <geometry>
          <sphere radius="${base_footprint_radius}" />
        </geometry>
      </visual>
    </link>

    <link name="base_link">
      <visual>
        <geometry>
          <cylinder radius="${base_link_radius}" length="${base_link_length}" />
        </geometry>
        <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
        <material name="yellow">
          <color rgba="0.5 0.3 0.0 0.5" />
        </material>
      </visual>
    </link>

    <joint name="base_link2base_footprint" type="fixed">
      <parent link="base_footprint" />
      <child link="base_link" />
      <origin xyz="0 0 ${earth_space + base_link_length / 2 }" />
    </joint>

    <!-- 驱动轮 -->
    <!-- 驱动轮属性 -->
    <xacro:property name="wheel_radius" value="0.0325" /><!-- 半径 -->
    <xacro:property name="wheel_length" value="0.015" /><!-- 宽度 -->
    <!-- 驱动轮宏实现 -->
    <xacro:macro name="add_wheels" params="name flag">
      <link name="${name}_wheel">
        <visual>
          <geometry>
            <cylinder radius="${wheel_radius}" length="${wheel_length}" />
          </geometry>
          <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="${PI / 2} 0.0 0.0" />
          <material name="black" />
        </visual>
      </link>

      <joint name="${name}_wheel2base_link" type="continuous">
        <parent link="base_link" />
        <child link="${name}_wheel" />
        <origin xyz="0 ${flag * base_link_radius} ${-(earth_space + base_link_length / 2 - wheel_radius) }" />
        <axis xyz="0 1 0" />
      </joint>
    </xacro:macro>
    <xacro:add_wheels name="left" flag="1" />
    <xacro:add_wheels name="right" flag="-1" />
    <!-- 支撑轮 -->
    <!-- 支撑轮属性 -->
    <xacro:property name="support_wheel_radius" value="0.0075" /> <!-- 支撑轮半径 -->

    <!-- 支撑轮宏 -->
    <xacro:macro name="add_support_wheel" params="name flag" >
      <link name="${name}_wheel">
        <visual>
            <geometry>
                <sphere radius="${support_wheel_radius}" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="black" />
        </visual>
      </link>

      <joint name="${name}_wheel2base_link" type="continuous">
          <parent link="base_link" />
          <child link="${name}_wheel" />
          <origin xyz="${flag * (base_link_radius - support_wheel_radius)} 0 ${-(base_link_length / 2 + earth_space / 2)}" />
          <axis xyz="1 1 1" />
      </joint>
    </xacro:macro>

    <xacro:add_support_wheel name="front" flag="1" />
    <xacro:add_support_wheel name="back" flag="-1" />

</robot>

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2.2.3 集成launch文件

在 launch 文件中直接加载 xacro

box_launch.launch 内容示例:

<launch>

  <!-- 将 urdf 文件内容设置进参数服务器 -->
  <!-- <param name="robot_description" textfile="$(find jubot_demo)/urdf/box_urdf.urdf" /> -->

  <!-- 使用xacro优化urdf文件 -->
  <param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro $(find jubot_demo)/urdf/xacro/my_base.urdf.xacro" />

  <!-- 启动 rviz -->
  <!-- <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" /> -->
  <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find jubot_demo)/config/rviz/show_four_wheel_car.rviz" />

  <!-- 启动机器人状态和关节状态发布节点 -->
  <node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" />
  <node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher" />

  <!-- 启动图形化的控制关节运动节点 -->
  <node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" />


</launch>
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核心代码:

<!-- 使用xacro优化urdf文件 -->
  <param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro $(find jubot_demo)/urdf/xacro/my_base.urdf.xacro" />
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加载robot_description时使用command属性，属性值就是调用 xacro 功能包的 xacro 程序直接解析 xacro 文件。

重新启动launch，正常显示小车，说明配置成功
在这里插入图片描述

2.3 添加摄像头和雷达传感器

结果演示：

在这里插入图片描述

实现分析:
机器人模型由多部件组成，可以将不同组件设置进单独文件，最终通过文件包含实现组件的拼装。

实现流程:

1.首先编写摄像头和雷达的 xacro 文件
2.然后再编写一个组合文件，组合底盘、摄像头与雷达
3.最后，通过 launch 文件启动 Rviz 并显示模型

2.3.1 摄像头和雷达 Xacro 文件实现

在这里插入图片描述

摄像头my_camera.urdf.xacro 文件:

<!-- 摄像头相关的 xacro 文件 -->
<robot name="my_camera" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
    <!-- 摄像头属性 -->
    <xacro:property name="camera_length" value="0.01" /> <!-- 摄像头长度(x) -->
    <xacro:property name="camera_width" value="0.025" /> <!-- 摄像头宽度(y) -->
    <xacro:property name="camera_height" value="0.025" /> <!-- 摄像头高度(z) -->
    <xacro:property name="camera_x" value="0.08" /> <!-- 摄像头安装的x坐标 -->
    <xacro:property name="camera_y" value="0.0" /> <!-- 摄像头安装的y坐标 -->
    <xacro:property name="camera_z" value="${base_link_length / 2 + camera_height / 2}" /> <!-- 摄像头安装的z坐标:底盘高度 / 2 + 摄像头高度 / 2  -->

    <!-- 摄像头关节以及link -->
    <link name="camera">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="${camera_length} ${camera_width} ${camera_height}" />
            </geometry>
            <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" />
            <material name="black" />
        </visual>
    </link>

    <joint name="camera2base_link" type="fixed">
        <parent link="base_link" />
        <child link="camera" />
        <origin xyz="${camera_x} ${camera_y} ${camera_z}" />
    </joint>
</robot>

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雷达 my_laser.urdf.xacro文件:

<!--
    小车底盘添加雷达
-->
<robot name="my_laser" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">

    <!-- 雷达支架 -->
    <xacro:property name="support_length" value="0.15" /> <!-- 支架长度 -->
    <xacro:property name="support_radius" value="0.01" /> <!-- 支架半径 -->
    <xacro:property name="support_x" value="0.0" /> <!-- 支架安装的x坐标 -->
    <xacro:property name="support_y" value="0.0" /> <!-- 支架安装的y坐标 -->
    <xacro:property name="support_z" value="${base_link_length / 2 + support_length / 2}" /> <!-- 支架安装的z坐标:底盘高度 / 2 + 支架高度 / 2  -->

    <link name="support">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="${support_radius}" length="${support_length}" />
            </geometry>
            <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" />
            <material name="red">
                <color rgba="0.8 0.2 0.0 0.8" />
            </material>
        </visual>
    </link>

    <joint name="support2base_link" type="fixed">
        <parent link="base_link" />
        <child link="support" />
        <origin xyz="${support_x} ${support_y} ${support_z}" />
    </joint>


    <!-- 雷达属性 -->
    <xacro:property name="laser_length" value="0.05" /> <!-- 雷达长度 -->
    <xacro:property name="laser_radius" value="0.03" /> <!-- 雷达半径 -->
    <xacro:property name="laser_x" value="0.0" /> <!-- 雷达安装的x坐标 -->
    <xacro:property name="laser_y" value="0.0" /> <!-- 雷达安装的y坐标 -->
    <xacro:property name="laser_z" value="${support_length / 2 + laser_length / 2}" /> <!-- 雷达安装的z坐标:支架高度 / 2 + 雷达高度 / 2  -->

    <!-- 雷达关节以及link -->
    <link name="laser">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="${laser_radius}" length="${laser_length}" />
            </geometry>
            <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" />
            <material name="black" />
        </visual>
    </link>

    <joint name="laser2support" type="fixed">
        <parent link="support" />
        <child link="laser" />
        <origin xyz="${laser_x} ${laser_y} ${laser_z}" />
    </joint>
</robot>

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2.3.2 组合底盘摄像头与雷达的 xacro 文件

my_car_camera.urdf.xacro文件

<!-- 组合小车底盘与摄像头与雷达 -->
<robot name="my_car_camera" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
    <xacro:include filename="my_base.urdf.xacro" />
    <xacro:include filename="my_camera.urdf.xacro" />
    <xacro:include filename="my_laser.urdf.xacro" />
</robot>

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2.4 launch 文件

<launch>

  <!-- 将 urdf 文件内容设置进参数服务器 -->
  <!-- <param name="robot_description" textfile="$(find jubot_demo)/urdf/box_urdf.urdf" /> -->

  <!-- 使用xacro优化urdf文件 -->
  <!-- <param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro $(find jubot_demo)/urdf/xacro/my_base.urdf.xacro" /> -->
    <param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro $(find jubot_demo)/urdf/xacro/my_car_camera.urdf.xacro" />

  <!-- 启动 rviz -->
  <!-- <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" /> -->
  <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find jubot_demo)/config/rviz/show_four_wheel_car.rviz" />

  <!-- 启动机器人状态和关节状态发布节点 -->
  <node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" />
  <node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher" />

  <!-- 启动图形化的控制关节运动节点 -->
  <node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" />


</launch>
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在rviz中显示机器人
在这里插入图片描述

参考

Gazebo中针对Gazebo软件或生成模型出现process has died问题的参考方案

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