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11.机器人系统仿真搭建gazebo环境、仿真深度相机、雷达、RGB相机_gazebo仿真环境搭建

作者：繁依Fanyi0 | 2024-05-21 13:56:11

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gazebo仿真环境搭建

目录

1 gazebo仿真环境搭建

1.1  直接添加内置组件创建仿真环境

1.2 urdf、gazebo、rviz的综合应用

2 ROS_control

2.1 运动控制实现流程(Gazebo)

2.1.1 已经创建完毕的机器人模型，编写一个单独的 xacro 文件，为机器人模型添加传动装置以及控制器

2.1.2 将此文件集成进xacro文件

2.1.3 修改launch文件

2.1.3  启动 Gazebo 并发布 /cmd_vel 消息控制机器人运动

2.3.4 里程计查看

3 雷达仿真信息以及显示

3.1 实现流程

3.2 为机器人模型添加雷达配置

3.3 集成进xacro文件

3.4 启动 Gazebo，使用 Rviz 显示雷达信息

4 摄像头仿真

4.1 为机器人模型添加摄像头配置

4.2 为机器人模型添加相机配置

5 深度相机Kinect仿真

5.1 为机器人模型添加深度相机配置

5.2 kinect点云数据显示

1 gazebo仿真环境搭建

        到目前为止，我们已经可以将机器人模型显示在 Gazebo 之中了，但是当前默认情况下，在 Gazebo 中机器人模型是在 empty world 中，并没有类似于房间、家具、道路、树木... 之类的仿真物，如何在 Gazebo 中创建仿真环境呢？

Gazebo 中创建仿真实现方式有两种:

  • 方式1: 直接添加内置组件创建仿真环境

  • 方式2: 手动绘制仿真环境(更为灵活)

也还可以直接下载使用官方或第三方提高的仿真环境插件。

1.1  直接添加内置组件创建仿真环境

        启动roscore之后：

rosrun gazebo_ros gazebo

        是一个空的世界，我们设置一些障碍物。

        点击保存(save world as)即可。生成一个.world文件。

        选择Editor --> Building Editor

        可以添加门添加窗户等。

1.2 urdf、gazebo、rviz的综合应用

        关于URDF(Xacro)、Rviz 和 Gazebo 三者的关系，前面已有阐述: URDF 用于创建机器人模型、Rviz 可以显示机器人感知到的环境信息，Gazebo 用于仿真，可以模拟外界环境，以及机器人的一些传感器，如何在 Gazebo 中运行这些传感器，并显示这些传感器的数据(机器人的视角)呢？本节主要介绍的重点就是将三者结合:通过 Gazebo 模拟机器人的传感器，然后在 Rviz 中显示这些传感器感知到的数据。主要内容包括:

  • 运动控制以及里程计信息显示

  • 雷达信息仿真以及显示

  • 摄像头信息仿真以及显示

  • kinect 信息仿真以及显示

2 ROS_control

        gazebo 中已经可以正常显示机器人模型了，那么如何像在 rviz 中一样控制机器人运动呢？在此，需要涉及到ros中的组件: ros_control。

        场景:同一套 ROS 程序，如何部署在不同的机器人系统上，比如：开发阶段为了提高效率是在仿真平台上测试的，部署时又有不同的实体机器人平台，不同平台的实现是有差异的，如何保证 ROS 程序的可移植性？ROS 内置的解决方式是 ros_control。

        ros_control:是一组软件包，它包含了控制器接口，控制器管理器，传输和硬件接口。ros_control 是一套机器人控制的中间件，是一套规范，不同的机器人平台只要按照这套规范实现，那么就可以保证 与ROS 程序兼容，通过这套规范，实现了一种可插拔的架构设计，大大提高了程序设计的效率与灵活性。

        gazebo 已经实现了 ros_control 的相关接口，如果需要在 gazebo 中控制机器人运动，直接调用相关接口即可。

        承上，运动控制基本流程:

  1. 已经创建完毕的机器人模型，编写一个单独的 xacro 文件，为机器人模型添加传动装置以及控制器

  2. 将此文件集成进xacro文件

  3. 启动 Gazebo 并发布 /cmd_vel 消息控制机器人运动

2.1 运动控制实现流程(Gazebo)

2.1.1 已经创建完毕的机器人模型，编写一个单独的 xacro 文件，为机器人模型添加传动装置以及控制器

        我们建立一个文件夹gazebo，存放传动装置以及控制器相关文件：move.xacro

        把这个传动装置以及控制器相关文件集成进总的xacro文件中：

        官方文档复制下来即可，无需自己写：

  1. <robot name="my_car_move" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
  2.  
  3.     <!-- 传动实现:用于连接控制器与关节 -->
  4.     <xacro:macro name="joint_trans" params="joint_name">
  5.         <!-- Transmission is important to link the joints and the controller -->
  6.         <transmission name="${joint_name}_trans">
  7.             <type>transmission_interface/SimpleTransmission</type>
  8.             <joint name="${joint_name}">
  9.                 <hardwareInterface>hardware_interface/VelocityJointInterface</hardwareInterface>
  10.             </joint>
  11.             <actuator name="${joint_name}_motor">
  12.                 <hardwareInterface>hardware_interface/VelocityJointInterface</hardwareInterface>
  13.                 <mechanicalReduction>1</mechanicalReduction>
  14.             </actuator>
  15.         </transmission>
  16.     </xacro:macro>
  17.  
  18.     <!-- 每一个驱动轮都需要配置传动装置 -->
  19.     <xacro:joint_trans joint_name="left_wheel2base_link" />
  20.     <xacro:joint_trans joint_name="right_wheel2base_link" />
  21.  
  22.     <!-- 控制器 -->
  23.     <gazebo>
  24.         <plugin name="differential_drive_controller" filename="libgazebo_ros_diff_drive.so">
  25.             <rosDebugLevel>Debug</rosDebugLevel>
  26.             <publishWheelTF>true</publishWheelTF>
  27.             <robotNamespace>/</robotNamespace>
  28.             <publishTf>1</publishTf>
  29.             <publishWheelJointState>true</publishWheelJointState>
  30.             <alwaysOn>true</alwaysOn>
  31.             <updateRate>100.0</updateRate>
  32.             <legacyMode>true</legacyMode>
  33.             <leftJoint>left_wheel2base_link</leftJoint> <!-- 左轮 -->
  34.             <rightJoint>right_wheel2base_link</rightJoint> <!-- 右轮 -->
  35.             <wheelSeparation>${base_link_radius * 2}</wheelSeparation> <!-- 车轮间距 -->
  36.             <wheelDiameter>${wheel_radius * 2}</wheelDiameter> <!-- 车轮直径 -->
  37.             <broadcastTF>1</broadcastTF>
  38.             <wheelTorque>30</wheelTorque>
  39.             <wheelAcceleration>1.8</wheelAcceleration>
  40.             <commandTopic>cmd_vel</commandTopic> <!-- 运动控制话题 -->
  41.             <odometryFrame>odom</odometryFrame> 
  42.             <odometryTopic>odom</odometryTopic> <!-- 里程计话题 -->
  43.             <robotBaseFrame>base_footprint</robotBaseFrame> <!-- 根坐标系 -->
  44.         </plugin>
  45.     </gazebo>
  46.  
  47. </robot>

        解释一下怎么适配自己的场景：

        第一部分是传动实现：用于连接控制器与关节

        这里要改成我们自己的关节。

        我们的驱动轮关节名叫做base_link2_${wheel_name}，传入参数是left和right，因此move.xacro改为：

  1.     <xacro:joint_trans joint_name="base_link2_left" />
  2.     <xacro:joint_trans joint_name="base_link2_right" />

        后面是差速控制器：

        整体来看是这样！

  1. <robot name="my_car_move" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
  2.  
  3.     <xacro:macro name="joint_trans" params="joint_name">
  4.         <!-- Transmission is important to link the joints and the controller -->
  5.         <transmission name="${joint_name}_trans">
  6.             <type>transmission_interface/SimpleTransmission</type>
  7.             <joint name="${joint_name}">
  8.                 <hardwareInterface>hardware_interface/VelocityJointInterface</hardwareInterface>
  9.             </joint>
  10.             <actuator name="${joint_name}_motor">
  11.                 <hardwareInterface>hardware_interface/VelocityJointInterface</hardwareInterface>
  12.                 <mechanicalReduction>1</mechanicalReduction>
  13.             </actuator>
  14.         </transmission>
  15.     </xacro:macro>
  16.  
  17.     <xacro:joint_trans joint_name="base_link2_left" />
  18.     <xacro:joint_trans joint_name="base_link2_right" />
  19.  
  20.     <gazebo>
  21.         <plugin name="differential_drive_controller" filename="libgazebo_ros_diff_drive.so">
  22.             <rosDebugLevel>Debug</rosDebugLevel>
  23.             <publishWheelTF>true</publishWheelTF>
  24.             <robotNamespace>/</robotNamespace>
  25.             <publishTf>1</publishTf>
  26.             <publishWheelJointState>true</publishWheelJointState>
  27.             <alwaysOn>true</alwaysOn>
  28.             <updateRate>100.0</updateRate>
  29.             <legacyMode>true</legacyMode>
  30.             <leftJoint>base_link2_left</leftJoint>
  31.             <rightJoint>base_link2_right</rightJoint>
  32.             <wheelSeparation>${base_radius * 2}</wheelSeparation>
  33.             <wheelDiameter>${wheel_radius * 2}</wheelDiameter>
  34.             <broadcastTF>1</broadcastTF>
  35.             <wheelTorque>30</wheelTorque>
  36.             <wheelAcceleration>1.8</wheelAcceleration>
  37.             <commandTopic>cmd_vel</commandTopic>
  38.             <odometryFrame>odom</odometryFrame>
  39.             <odometryTopic>odom</odometryTopic>
  40.             <robotBaseFrame>base_footprint</robotBaseFrame>
  41.         </plugin>
  42.     </gazebo>
  43.  
  44. </robot>

2.1.2 将此文件集成进xacro文件

  1. <robot name="mycarwithlidarandcamera" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
  2.  
  3.  
  4.     <xacro:include filename="interial.xacro" />
  5.  
  6.     <xacro:include filename="demo05carbase.xacro" />
  7.     <xacro:include filename="cam.xacro" />
  8.     <xacro:include filename="lidar.xacro" />
  9.  
  10.     <xacro:include filename="/home/liuhongwei/Desktop/final/catkin_studyrobot/src/gazebo/move.xacro"/>
  11.     
  12.     
  13. </robot>

        就把刚刚加入就好。

2.1.3 修改launch文件

         不需要修改：

  1. <launch>
  2.  
  3.     <param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro /home/liuhongwei/Desktop/final/catkin_studyrobot/src/urdf/xacro/car_gazebo.xacro" />
  4.  
  5.     <include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch">
  6.         <arg name="world_name" value="/home/liuhongwei/Desktop/final/catkin_studyrobot/src/world/box_house.world" />
  7.     </include>
  8.  
  9.     <node pkg="gazebo_ros" type="spawn_model" name="model" args="-urdf -model mycar -param robot_description"  />
  10. </launch>

        roslaunch test gazebo_car.launch

2.1.3  启动 Gazebo 并发布 /cmd_vel 消息控制机器人运动

rostopic pub -r 10 /cmd_vel geometry_msgs/Twist '{linear: {x: 0.2, y: 0, z: 0}, angular: {x: 0, y: 0, z: 0.5}}'

        机器人运动了！

        或者安装控制节点：

sudo apt install ros-melodic-teleop-twist-keyboard

rosrun teleop_twist_keyboard teleop_twist_keyboard.py

        当然，线速度、角速度比较快.....

        我们可以通过传参降低速度：

 rosrun teleop_twist_keyboard teleop_twist_keyboard.py _speed:=0.3  _turn:=0.5

        现在运动幅度就小多了。

2.3.4 里程计查看

        我们要启动关节和机器人运动发布状态节点：multisensor.launch

  1. <launch>
  2.     <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d /home/liuhongwei/Desktop/final/catkin_studyrobot/src/config/qidong.rviz"/>
  3.  
  4.  
  5.     <node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" />
  6.     <node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" />
  7. </launch>

        我们再打开之前的节点：

  1. <launch>
  2.  
  3.     <param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro /home/liuhongwei/Desktop/final/catkin_studyrobot/src/urdf/xacro/car_gazebo.xacro" />
  4.  
  5.     <include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch">
  6.         <arg name="world_name" value="/home/liuhongwei/Desktop/final/catkin_studyrobot/src/world/box_house.world" />
  7.     </include>
  8.  
  9.     <node pkg="gazebo_ros" type="spawn_model" name="model" args="-urdf -model mycar -param robot_description"  />
  10. </launch>

        设置Fix Frame为odom。

        我们打开键盘控制节点：

        都动啦！

3 雷达仿真信息以及显示

3.1 实现流程

实现流程:

雷达仿真基本流程:

  1. 已经创建完毕的机器人模型，编写一个单独的 xacro 文件，为机器人模型添加雷达配置；

  2. 将此文件集成进xacro文件；

  3. 启动 Gazebo，使用 Rviz 显示雷达信息。

3.2 为机器人模型添加雷达配置

        我们需要把雷达贴到一个模块上：

        之前我们设置过lidar：

        如下：

  1. <robot name="my_sensors" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
  2.  
  3.     <gazebo reference="laser">
  4.         <sensor type="ray" name="rplidar">
  5.             <pose>0 0 0 0 0 0</pose>
  6.             <visualize>true</visualize>
  7.             <update_rate>5.5</update_rate>
  8.             <ray>
  9.                 <scan>
  10.                     <horizontal>
  11.                         <samples>360</samples>
  12.                         <resolution>1</resolution>
  13.                         <min_angle>-3</min_angle>
  14.                         <max_angle>3</max_angle>
  15.                     </horizontal>
  16.                 </scan>
  17.                 <range>
  18.                     <min>0.10</min>
  19.                     <max>30.0</max>
  20.                     <resolution>0.01</resolution>
  21.                 </range>
  22.                 <noise>
  23.                     <type>gaussian</type>
  24.                     <mean>0.0</mean>
  25.                     <stddev>0.01</stddev>
  26.                 </noise>
  27.             </ray>
  28.             <plugin name="gazebo_rplidar" filename="libgazebo_ros_laser.so">
  29.                 <topicName>/scan</topicName>
  30.                 <frameName>laser</frameName>
  31.             </plugin>
  32.         </sensor>
  33.     </gazebo>
  34.  
  35. </robot>

        完成！

3.3 集成进xacro文件

  1. <robot name="mycarwithlidarandcamera" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
  2.  
  3.  
  4.     <xacro:include filename="interial.xacro" />
  5.  
  6.     <xacro:include filename="demo05carbase.xacro" />
  7.     <xacro:include filename="cam.xacro" />
  8.     <xacro:include filename="lidar.xacro" />
  9.  
  10.     <xacro:include filename="/home/liuhongwei/Desktop/final/catkin_studyrobot/src/gazebo/move.xacro"/>
  11.  
  12.     <xacro:include filename="/home/liuhongwei/Desktop/final/catkin_studyrobot/src/gazebo/laser.xacro"/>
  13.  
  14. </robot>

        把雷达传感器集成进xacro。

3.4 启动 Gazebo，使用 Rviz 显示雷达信息

        启动双launch节点：

        /scan话题就是雷达话题。

        gazebo中也有显示了。这是雷达的不可见扫描光束。

4 摄像头仿真

4.1 为机器人模型添加摄像头配置

  1. <robot name="my_sensors" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
  2.     <gazebo reference="camera">
  3.         <sensor type="camera" name="camera_node">
  4.             <update_rate>30.0</update_rate>
  5.             <camera name="head">
  6.                 <horizontal_fov>1.3962634</horizontal_fov>
  7.                 <image>
  8.                     <width>1280</width>
  9.                     <height>720</height>
  10.                     <format>R8G8B8</format>
  11.                 </image>
  12.                 <clip>
  13.                     <near>0.02</near>
  14.                     <far>300</far>
  15.                 </clip>
  16.                 <noise>
  17.                     <type>gaussian</type>
  18.                     <mean>0.0</mean>
  19.                     <stddev>0.007</stddev>
  20.                 </noise>
  21.             </camera>
  22.             <plugin name="gazebo_camera" filename="libgazebo_ros_camera.so">
  23.                 <alwaysOn>true</alwaysOn>
  24.                 <updateRate>0.0</updateRate>
  25.                 <cameraName>/camera</cameraName>
  26.                 <imageTopicName>image_raw</imageTopicName>
  27.                 <cameraInfoTopicName>camera_info</cameraInfoTopicName>
  28.                 <frameName>camera</frameName>
  29.                 <hackBaseline>0.07</hackBaseline>
  30.                 <distortionK1>0.0</distortionK1>
  31.                 <distortionK2>0.0</distortionK2>
  32.                 <distortionK3>0.0</distortionK3>
  33.                 <distortionT1>0.0</distortionT1>
  34.                 <distortionT2>0.0</distortionT2>
  35.             </plugin>
  36.         </sensor>
  37.     </gazebo>
  38. </robot>

4.2 为机器人模型添加相机配置

  1. <robot name="mycarwithlidarandcamera" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
  2.  
  3.  
  4.     <xacro:include filename="interial.xacro" />
  5.  
  6.     <xacro:include filename="demo05carbase.xacro" />
  7.     <xacro:include filename="cam.xacro" />
  8.     <xacro:include filename="lidar.xacro" />
  9.  
  10.     <xacro:include filename="/home/liuhongwei/Desktop/final/catkin_studyrobot/src/gazebo/move.xacro"/>
  11.  
  12.     <xacro:include filename="/home/liuhongwei/Desktop/final/catkin_studyrobot/src/gazebo/laser.xacro"/>
  13.     <xacro:include filename="/home/liuhongwei/Desktop/final/catkin_studyrobot/src/gazebo/camera.xacro"/>
  14.  
  15.  
  16. </robot>

        成功！

5 深度相机Kinect仿真

5.1 为机器人模型添加深度相机配置

  1. <robot name="my_sensors" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
  2.     <gazebo reference="support">  
  3.       <sensor type="depth" name="camera">
  4.         <always_on>true</always_on>
  5.         <update_rate>20.0</update_rate>
  6.         <camera>
  7.           <horizontal_fov>${60.0*PI/180.0}</horizontal_fov>
  8.           <image>
  9.             <format>R8G8B8</format>
  10.             <width>640</width>
  11.             <height>480</height>
  12.           </image>
  13.           <clip>
  14.             <near>0.05</near>
  15.             <far>8.0</far>
  16.           </clip>
  17.         </camera>
  18.         <plugin name="kinect_camera_controller" filename="libgazebo_ros_openni_kinect.so">
  19.           <cameraName>camera</cameraName>
  20.           <alwaysOn>true</alwaysOn>
  21.           <updateRate>10</updateRate>
  22.           <imageTopicName>rgb/image_raw</imageTopicName>
  23.           <depthImageTopicName>depth/image_raw</depthImageTopicName>
  24.           <pointCloudTopicName>depth/points</pointCloudTopicName>
  25.           <cameraInfoTopicName>rgb/camera_info</cameraInfoTopicName>
  26.           <depthImageCameraInfoTopicName>depth/camera_info</depthImageCameraInfoTopicName>
  27.           <frameName>support</frameName>
  28.           <baseline>0.1</baseline>
  29.           <distortion_k1>0.0</distortion_k1>
  30.           <distortion_k2>0.0</distortion_k2>
  31.           <distortion_k3>0.0</distortion_k3>
  32.           <distortion_t1>0.0</distortion_t1>
  33.           <distortion_t2>0.0</distortion_t2>
  34.           <pointCloudCutoff>0.4</pointCloudCutoff>
  35.         </plugin>
  36.       </sensor>
  37.     </gazebo>
  38.  
  39. </robot>
  1. <robot name="mycarwithlidarandcamera" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
  2.  
  3.  
  4.     <xacro:include filename="interial.xacro" />
  5.  
  6.     <xacro:include filename="demo05carbase.xacro" />
  7.     <xacro:include filename="cam.xacro" />
  8.     <xacro:include filename="lidar.xacro" />
  9.  
  10.     <xacro:include filename="/home/liuhongwei/Desktop/final/catkin_studyrobot/src/gazebo/move.xacro"/>
  11.  
  12.     <xacro:include filename="/home/liuhongwei/Desktop/final/catkin_studyrobot/src/gazebo/laser.xacro"/>
  13.     <xacro:include filename="/home/liuhongwei/Desktop/final/catkin_studyrobot/src/gazebo/camera.xacro"/>
  14.     <xacro:include filename="/home/liuhongwei/Desktop/final/catkin_studyrobot/src/gazebo/kinect.xacro"/>
  15.  
  16.  
  17. </robot>

        启动!

5.2 kinect点云数据显示

        在kinect中也可以以点云的方式显示感知周围环境，在 rviz 中操作如下：

        添加PointCloud2点云，但是显示错位了。

        原因:在kinect中图像数据与点云数据使用了两套坐标系统，且两套坐标系统位姿并不一致。

        怎么解决呢？？

        在插件中为kinect设置坐标系，修改配置文件的<frameName>标签内容：

        发布新设置的坐标系到kinect连杆的坐标变换关系，在启动rviz的launch中，添加:

  1. <launch>
  2.  
  3.     <node pkg="tf2_ros" type="static_transform_publisher" name="static_transform_publisher" args="0 0 0 -1.57 0 -1.57 /support /support_depth" />
  4.     <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d /home/liuhongwei/Desktop/final/catkin_studyrobot/src/config/qidong.rviz"/>
  5.  
  6.  
  7.     <node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" />
  8.     <node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" />
  9. </launch>

        OK！

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