Ubuntu20.04下Turtlebot3机器人仿真

前言

首先，参考了以下链接，感谢这位博主详细的分享，如有需要请直接移步。
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关于Gazebo物理仿真平台与Rviz可视化工具，urdf和xacro这里不再多做介绍。本文主要讲解如何利用开源Turtlebot3机器人模型和Gmapping算法，基于自己在Gazebo上building editor上构建的地图进行仿真实验。 后续考虑利用在此基础上进一步提升。

1、实验环境

Ros-Noetic
Gazebo 11

2、Turtlebot3功能包准备

urtlebot3功能包中继承了了TurtleBot3的机器人文件、SLAM和导航功能包、遥控功能包和bringup功能包等，另一个功能包turtlebot3_simulations中包含了更丰富的仿真文件（如一些rviz和gazebo的launch文件）。后面将从这两个包中复制出我们需要的文件来集成，并进行仿真。

turtlebot3包下载地址：https://github.com/ROBOTIS-GIT/turtlebot3

turtlebot3_simulations包下载地址：https://github.com/ROBOTIS-GIT/turtlebot3_simulations

turtlebot3 wiki简介：http://wiki.ros.org/turtlebot3
主要是两种型号：Burger 和 Waffle Pi

下面是关于他们的主要规格列表（略），主要参考其传感器：

可以看到Waffle Pi传感器主要包括机械激光传感器（采样频率5hz以上）、树莓派摄像头模组 v2.1和三轴陀螺仪和三轴加速度计的IMU。

3、创建workspace和功能包

4、在Rviz可视化工具下加载出机器人模型

在turtlebot3_sim_test/launch文件夹下添加turtlebot3_sim_rviz.launch文件。

<launch><arg name="model" default="waffle_pi" /><!-- 在参数服务器载入xacro文件 --><param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro $(find turtlebot3_sim_test)/urdf/turtlebot3_$(arg model).urdf.xacro" /><!-- 启动rviz --><node name="rviz" pkg="rviz" type="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" /></launch>

注意载入xacro文件路径写法，这里加载了turtlebot3_waffle_pi.urdf.xacro文件。

保存之后我们可以编译功能包。如果你的工作空间还有其他功能包，我们选择单独编译，相关代码如下：

cd ~/catkin_turtlebot3
catkin_make -DCATKIN_WHITELIST_PACKAGES="turtlebot3_sim_test"
source devel/setup.bash    ##每新开终端都需要source，可以考虑把这个写入.bashrc中

之后，运行rviz的launch文件可以加载出机器人的模型

$ roslaunch turtlebot3_sim_test turtlebot3_sim_rviz.launch

初始加载没有调整好接收数据，Rviz没有数据

右上角map改成base_link,同时，右下角Add中添加RobotModel，机器人就可以正常显示出来了。加上TF可以显示机器人上存在的不同坐标系(包括不同传感器、左右轮等)。

因为每次运行该机器人模型的launch文件时，Rviz会自动处于一种初始化状态，这时我们可以将配置信息保存，这样下次运行launch就不需要再重新配置。配置信息主要保存在turtlebot3_sim_test功能包下rviz文件夹中。点击右上角file->save config as，然后取一个文件名称，这里命名为turtlebot3_pi。

这个时候还没有结束,因为要修改launch文件中自动加载该配置文件，所以需要修改功能包下launch文件夹中turtlebot3_sim_rviz.lanch。

将启动rviz的代码修改如下:

<node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz" args="-d $(find turtlebot3_sim_test)/rviz/turtlebot3_pi.rviz" />
## 注意这里的turtlebot3_pi.rviz以自己命名为准

5、在Gazebo中加载出机器人模型（非自定义仿真环境）

首先，我们需要修改turtlebot3_sim_test下的package.xml文件。因为原项目文件turtlebot3_house.world默认加载地址为gazebo下的地址（/usr/share/gazebo-11/models），而不是我们功能包下models文件夹中的地址。因此可以在package.xml中加入如下代码：

<gazebo_ros gazebo_model_path="${prefix}/models"/>

同时，在功能包的launch文件夹中加入启动gazebo的launch文件，命名为turtlebot3_sim_gazebo.launch，内容如下：

<launch><arg name="model" default="waffle_pi"/><arg name="x_pos" default="-2.0"/><arg name="y_pos" default="-0.5"/><arg name="z_pos" default="0.0"/><include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch"><arg name="world_name" value="$(find turtlebot3_sim_test)/worlds/turtlebot3_house.world"/><arg name="paused" value="false"/><arg name="use_sim_time" value="true"/><arg name="gui" value="true"/><arg name="headless" value="false"/><arg name="debug" value="false"/></include><param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro $(find turtlebot3_sim_test)/urdf/turtlebot3_$(arg model).urdf.xacro" /><node pkg="gazebo_ros" type="spawn_model" name="spawn_urdf"  args="-urdf -model turtlebot3_$(arg model) -x $(arg x_pos) -y $(arg y_pos) -z $(arg z_pos) -param robot_description" />
</launch>

这时，我们可以启动launch文件了，但第一次加载时间较长，注意耐心等待。第二次启动后加载速度很快。终端命令：

$ roslaunch turtlebot3_sim_test turtlebot3_sim_gazebo.launch

新开终端，利用rostopic list查看话题节点如下，通常我们比较关注的包含cmd_vel、tf 和一些传感器信息话题节点

利用rostopic info /cmd_vel查看该话题节点，可以看到gazebo订阅了这一话题节点，这样我们可以终端发布控制信息控制机器人的运动

6、键盘对机器人的控制

ros提供通用键盘控制包来操控机器人的运动。我们先安装相关命令：

sudo apt-get install ros-noetic-teleop-twist-keyboard

完成后可以通过键盘控制机器人运动，终端命令如下（已开gazebo仿真环境）

$ rosrun teleop_twist_keyboard teleop_twist_keyboard.py

7、利用gazebo、rviz工具及开源Gmapping进行定位和建图

先启动gazebo仿真环境

$ roslaunch turtlebot3_sim_test turtlebot3_sim_gazebo.launch

启动Rviz可视化工具

$ roslaunch turtlebot3_sim_test turtlebot3_sim_rviz.launch

rviz启动以后，我们调整好相关配置。

其中map的topic暂时为空，因为我们还没有运行Gmapping节点，并没有发布地图节点信息。因此，我们需要新开终端运行开源Gmapping节点。在此之前先安装turtlebot3相关的slam算法包ros包，命令如下：

$ sudo apt-get install ros-noetic-turtlebot3-slam

完成之后，运行gamapping算法

roslaunch turtlebot3_slam turtlebot3_gmapping.launch

此时，我们在rviz中调整map接受/map的话题，可以看到gmapping算法已经正常运行

新开终端实现键盘控制机器人，完成初步建图工作。

$ rosrun teleop_twist_keyboard teleop_twist_keyboard.py

经过一番操作之后，建出地图如图所示……效果有点一言难尽。

关于节点间流转关系，可以用rqt_grap命令查看计算图，后续再将机器人模型移植到自定义地图环境中。