使用机器人操作系统ROS 2和仿真软件Gazebo 9搭建机器人教程（一）_ros2中gazebo四轮差速仿真模型控制器插件

参考链接：https://github.com/bunchofcoders/basic_bocbot

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本文为使用ROS 2和Gazebo9搭建仿真机器人详细指南。

确保已按如下说明安装ROS和Gazebo：

• ROS 2安装。 二进制软件包的安装足以满足该项目的需求，但是如果感兴趣，还可以选择从源代码搭建。Dashing或Eloquent均可。

• Gazebo安装。推荐9+以上版本。

尽管此项目基于Ubuntu 18.04说明，但如果是其他安装了ROS 2和Gazebo 9的系统，这些说明同样适用，比如Windows 10、Mac OS等，同时通过学习和实践，将会了解到它们的API、命令和过程大致相同。

本文假定已经具备以下基础：

• 具有C++和Python编程基础知识的开发人员，或者
• 已经知道ROS 1并期望转移到ROS 2开发，可以直接跳到下面的机器人。

目录

• 介绍
• 基础
  • 机器人
  • ROS
  • Gazebo
• 机器人
• 设置

介绍

为什么要学习机器人技术？

机器人应用已经越来越普遍。除了在制造过程中很常见之外，近年来，儿童玩具、智能吸尘器、自动驾驶汽车、无人驾驶飞机等不胜枚举。这些只是几个例子，将来还会有更多例子。不感兴趣，不愿学习，没关系，它们一样会进入到你的生活中，无处不在……

怎么学呢？

在搭建实际的机器人之前，可能需要先使用模拟器来测试新想法。对模拟机器人满意之后，就可以继续搭建实际的机器人了。

ROS提供了搭建机器人各种组件并在它们之间建立安全通信的框架，Gazebo提供了仿真工具，可以使用实际场景测试算法和机器人设计。

本文能学到什么？

学习如何将ROS2和Gazebo9组合在一起，创建具有四轮（差动模型）、摄像头和激光扫描传感器的机器人，并在模拟的环境中测试其操作。

先熟悉一些基本概念。

基础

机器人

无论要搭建哪种类型的机器人，机器人都需要执行感知、决策和行动的三个步骤，属于输入-控制-输出这类结构。

• 感知

就像我们人类通过眼睛、耳朵、鼻子和触摸感知或感知周围的环境一样，机器人使用一个或多个传感器感知周围的环境。可能已经知道的一些传感器如雷达、激光扫描、照相机、激光雷达、温度传感器、声纳、化学检测传感器等。

• 决策

根据来自传感器的输入和机器人的当前状态，机器人可以执行一些决策。决策可以简单地回答是或否的天气问题，也可以简单地在不同星球上未知地形的路径上行驶。

• 行动

机器人可以根据使用输入做出的决定执行各种动作。例如，从一个地方移动到另一个地方，移动机器人手臂等各种部件，将消息发送到另一机器人，加快、减速、停止等。

本文中将了解ROS2如何提供执行这三个基本过程的框架。

ROS

机器人操作系统不是如Linux或Windows那样的操作系统，而是一个位于操作系统之上的框架，可为开发和运行机器人的各种组件提供便利。

就像Microsoft基础类（MFC）是用于Windows中C++开发和运行桌面应用程序的框架一样，ASP.Net也是用于开发和运行网站的框架。同样，ROS是一个框架，并提供使用C++和Python等开发和运行机器人的工具和库。

ROS 2是ROS 1的下一个版本。大多数概念在ROS 2中仍然相同，与ROS 1保持一致，但是各个组件之间的设计和通信有了显着改进。ROS 2使用DDS。

学习ROS 1会有所帮助，但不是必需的。由于一些概念文档仍在ROS 1维基中。如下是一些了解ROS的有用链接。

1. ROS 1教程
2. ROS 2教程
3. 节点概念
4. ROS 2中的节点
5. 主题
6. 服务端/客户端
7. 发布器/订阅器
8. 服务质量
9. 编译系统colcon

Gazebo

Gazebo是ROS使用最广泛的模拟器。在线上有许多非常好的教程。如下是一些入门指南。

• 教程：http://gazebosim.org/tutorials
• ROS：https://subscription.packtpub.com/book/hardware_and_creative/9781783554713/1/ch01lvl1sec11/simulators-of-ros

假设现在已经熟悉ROS和Gazebo，那么将它们融合应用。

机器人

目标是根据从传感器收集的输入执行一些操作（驱动机器人）。将按照以下步骤进行操作。

1 在Gazebo模拟器中搭建简单的室内环境（请参见下图）

2 搭建机器人（mobot）

• 底盘（蓝色）
• 4个轮子（灰色）
• 相机（红色）
• 激光雷达（黑色）

3 编写C++节点处理相机和激光雷达扫描输入

4 编写C++节点将命令发送到轮子以驱动机器人

机器人 

世界环境 （室内）

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设置：

具体步骤如下。

打开一个新的终端并更新ROS 2安装配置，这样ROS2命令可以使用。

relaybot@TPS2:~$ source /opt/ros/dashing/setup.bash

relaybot@TPS2:~$ echo $ROS_DISTRO

dashing

创建工作区

relaybot@TPS2:~$ mkdir -p mobot/src

relaybot@TPS2:~$ cd mobot/src/

1.在Gazebo模拟器中搭建室内环境

创建mobot包

relaybot@TPS2:~/mobot/src$ ros2 pkg create --build-type ament_cmake mobot

going to create a new package

package name: mobot

destination directory: /home/relaybot/mobot/src

package format: 3

version: 0.0.0

description: TODO: Package description

maintainer: ['relaybot <zhangrelay@sohu.com>']

licenses: ['TODO: License declaration']

build type: ament_cmake

dependencies: []

creating folder ./mobot

creating ./mobot/package.xml

creating source and include folder

creating folder ./mobot/src

creating folder ./mobot/include/mobot

creating ./mobot/CMakeLists.txt

relaybot@TPS2:~/mobot/src$ cd mobot/

relaybot@TPS2:~/mobot/src/mobot$

为室内环境的world文件新建文件夹：

relaybot@TPS2:~/mobot/src/mobot$ mkdir worlds

relaybot@TPS2:~/mobot/src/mobot$ cd worlds/

relaybot@TPS2:~/mobot/src/mobot/worlds$ gedit mobot_room.world     

Gazebo中的世界文件包含模拟环境中的所有对象。这些对象是机器人模型、环境、照明、传感器和其他对象等。

Gazebo使用SDF xml文件格式来保存模拟配置。世界文件通常具有.world扩展名。

mobot_room.world代码（补充）:

• ​​​​​​​mobot_room.world-ROS2Gazebo9附1​​​​​​​

此时，运行如下命令在Gazebo中启动世界环境：

relaybot@TPS2:~/mobot/src/mobot/worlds$ gazebo mobot_room.world

另外，可以按照以下教程创建自定义世界环境。

• 建立世界环境
• 在世界环境中创造建筑物

请确保在世界环境的文件保存为mobot_room.world在mobot/src/mobot/worlds文件中。

2.搭建机器人

现在，已熟悉用来描述仿真对象的SDF文件。ROS使用通用机器人描述格式（URDF）对机器人进行建模，该机器人在xml中描述了各种动态和运动学特性。可以点击此处了解更多信息简单的URDF如下：

<?xml version="1.0"?>
 
<robot name="two_link_robot">
 
  <!--Links-->
 
 
 
  <link name="link_1">
 
    <visual>
 
      <geometry>
 
        <cylinder length="0.5" radius="0.2"/>
 
      </geometry>
 
    </visual>
 
  </link>
 
 
 
  <link name="link_2">
 
    <visual>
 
      <geometry>
 
        <box size="0.6 0.1 0.2"/>
 
      </geometry>
 
    </visual>
 
  </link>
 
 
 
  <!--Joints-->
 
  <joint name="joint_1" type="continuous">
 
    <parent link="link_1"/>
 
    <child link="link_2"/>
 
  </joint>
 
</robot>

在URDF中定义各种机器人元素时，功能很丰富。为了单独管理各种xacro组件并重用它们，ROS提供了一个名为（XML Macro）的程序包，可以将不同的URDF文件组合到一个文件中。它还提供了模板工具来定义这些文件中的变量。使用.xacro扩展名保存这些文件。可以点击此处了解有关XACRO的更多信息。

创建两个xacro文件，一个用于描述机器人，另一个用于描述在下面简要说明的Gazebo插件，用于在仿真中进行交互。

为使Gazebo插件正常工作，请确保已安装以下ROS 2软件包。

gazebo_dev

gazebo_msgs

gazebo_plugins

gazebo_ros

gazebo_ros_pkgs

可以通过运行以下命令进行检查：

    $ ros2 pkg list

与Gazebo接口的ROS 2软件包集包含在名为gazebo_ros_pkgs的元软件包中。

注意：所有ROS功能包都使用如下形式ros-<distro>-<package-name>，ros-发行版-功能包名

3.Gazebo插件

插件是一段代码，被编译为共享库并插入到仿真中。该插件可通过标准C++类直接访问Gazebo的所有功能。

插件很有用，因为它们具有如下功能：

• 让开发人员控制Gazebo的几乎任何方面
• 是易于共享的独立例程
• 可以从正在运行的系统中插入和删除

可以点击此处了解有关插件的更多信息。

除了使用自定义插件，也可以使用gazebo_ros_pkgs提供的现有插件。具体使用如下：

滑行转向差动驱动控制器可实现移动机器人控制，由libgazebo_ros_diff_drive.so提供，详情请点击此处。

相机控制器可读取相机在模拟中捕获的图像，由libgazebo_ros_camera.so提供，此处点击有更多详细信息。

激光雷达控制器从读取激光扫描仪中的点云数据，由libgazebo_ros_ray_sensor.so提供，此处点击有更多详细信息。

在/opt/ros/dashing/lib目录中找到这些库。

在mobot.gazebo文件中定义这些控制器所需的各种属性。

为urdf文件创建目录。

    $ cd ~/mobot/src/mobot

    $ mkdir urdf

    $ cd urdf

    $ gedit mobot.gazebo

将以下代码粘贴到mobot.gazebo文件

mobot.gazebo代码补充：

• mobot模型-ROS2Gazebo9附2

现在，在mobot.urdf.xacro文件中定义机器人描述。

    $ cd urdf

    $ gedit mobot.urdf.xacro

将以下代码粘贴到mobot.urdf.xacro文件。

mobot.urdf.xacro代码补充：

• mobot模型-ROS2Gazebo9附2​​​​​​​

Xacro代码说明：

在mobot.urdf.xacro文件中

• 创建链接robot_footprint，chassis，front_left_wheel，front_right_wheel，back_left_wheel，back_right_wheel，camera和hokuyo激光传感器
• 通过指定以下关节将它们连接在一起，robot_footprint_joint连接chassis和robot_footprint。轮子通过front_left_wheel_joint连接到chassis，front_right_wheel_joint，back_left_wheel_joint，back_right_wheel_joint。camera和hokuyo分别由camera_joint与hokuyo_joint连接到chassis
• 通过xacro使用行引用的文件中，<xacro:include filename="mobot.gazebo"/>导入了mobot.gazebo文件，在其中指定了插件的配置。
• 指定libgazebo_ros_diff_drive.so控制器配置机器人运动，它们的轮距和直径，扭矩产生的时间和频率发布等，里程计通过/odom更新。还指定/cmd_vel订阅速度命令的主题。
• 同样，对于libgazebo_ros_camera.so插件配置，指定了相机属性，并重新映射了由插件发布的原始主题，发布RGB图像，发布/mobot/camera/image，相机的信息发布/mobot/camera/image/camera_info。
• 配置libgazebo_ros_ray_sensor.so为使用hokuyo激光传感器发布数据/mobot/scan。如果未指定名称空间，<namespace>/mobot</namespace>则数据将在/scan主题中发布。以上插件都是如此。

此时，~\mobot_ws\src\mobot目录应如下所示：

relaybot@TPS2:~/mobot/src/mobot$ tree

.

├── CMakeLists.txt

├── include

│   └── mobot

├── package.xml

├── src

├── urdf

│   ├── mobot.gazebo

│   └── mobot.urdf.xacro

└── worlds

    └── mobot_room.world

5 directories, 5 files

在colcon编译过程中调用xacro

需要配置编译过程调用xacro工具，从mobot.urdf.xacro和mobot.gazebo文件生成urdf文件。为此，需要编辑CMakeLists.txt文件以指定依赖项。

# Generate .urdf files from .urdf.xacro files
# 从.urdf.xacro文件生成.urdf文件
find_package(xacro REQUIRED)
# Xacro files Xacro文件
file(GLOB xacro_files urdf/*.urdf.xacro)
 
foreach(it ${xacro_files})
  # remove .xacro extension 删除.xacro扩展
  string(REGEX MATCH "(.*)[.]xacro$" unused ${it})
  set(output_filename ${CMAKE_MATCH_1})
 
  # create a rule to generate ${output_filename} from {it} 从{it}创建一条${output_filename}规则
 
  xacro_add_xacro_file(${it} ${output_filename})
 
  list(APPEND urdf_files ${output_filename})
endforeach(it)
 
# add an abstract target to actually trigger the builds 添加一个抽象目标实际触发编译
add_custom_target(media_files ALL DEPENDS ${urdf_files})

此外，需要配置编译过程安装urdf、worlds和meshes目录到install文件夹中。因为所有的软件包都将有ROS环境中的安装目录提供，所以在编译软件包时创建该目录。在CMakeLists.txt中添加以下。

install(DIRECTORY worlds  
  DESTINATION share/${PROJECT_NAME})
 
install(DIRECTORY urdf
  DESTINATION share/${PROJECT_NAME})
 
#install(DIRECTORY meshes
#  DESTINATION share/${PROJECT_NAME})

可以从下面复制整个CMakeLists.txt

CMakeLists.txt代码补充：

• CMakeLists部分-ROS2Gazebo9附3

此时，可以编译程序包啦！开启新终端，请确保更新为ros环境。

  $ source /opt/ros/dashing/setup.bash

  $ cd ~/mobot

  $ colcon build

  Starting >>> mobot  

  Finished <<< mobot [1.08s]                     

  Summary: 1 package finished [1.15s]

  $

 

配置mobot.urdf文件urdf在编译后在目录中生成。

要在Gazebo中看到机器人，需要创建启动（launch）文件夹和启动文件。可以在此处了解ROS 2中的启动系统。

  $ cd ~/mobot/src/mobot

  $ mkdir launch

  $ cd launch

  $ gedit world.launch.py

在启动文件中，将做两件事。

1. 使用预定义的设置和启动Gazebo mobot_room.world
2. 调用gazebo提供的spawn_entity服务以生成mobot.urdf在世界上定义的机器人。

将以下代码粘贴到world.launch.py中。

world.launch.py代码补充：

• world.launch.py部分-ROS2Gazebo9附4

在CMakeLists.txt添加以下代码实现编译后安装到启动文件夹。

install(DIRECTORY launch
 
  DESTINATION share/${PROJECT_NAME})

此部分已经在附3中，添加完成了。

最终~\mobot\src目录结构应如下所示：

relaybot@TPS2:~/mobot/src/mobot$ tree

.

├── CMakeLists.txt

├── include

│   └── mobot

├── launch

│   └── world.launch.py

├── package.xml

├── src

├── urdf

│   ├── mobot.gazebo

│   ├── mobot.urdf

│   └── mobot.urdf.xacro

└── worlds

    └── mobot_room.world

编译并启动：

  $ cd ~/mobot

  $ colcon build

在启动mobot之前，必须更新bash文件。mobot工作区bash文件将程序包mobot添加到现有ros环境中，使它可使用各种ros2命令，就像其他ros程序包一样。

  $ source install/setup.bash

  $ ros2 launch mobot world.launch.py

注意：可以使用Tab键完成补全所有ros2命令，在键入ros2后，按Tab键查看可用选项。

应该看到如下图所示的机器人和世界环境。恭喜！此时已经成功在ROS2和Gazebo9搭建了第一个仿真机器人。下一节将学习ROS2各种命令。

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