【Gazebo入门教程】第三讲 SDF文件的静/动态编程建模
2024-05-11 07:46:27
【Gazebo入门教程】第三讲 SDF文件的静/动态编程建模
文章目录
- 【Gazebo入门教程】第三讲 SDF文件的静/动态编程建模
- 一、自定义模型并导入Gazebo
- 1. 基础操作准备
- 2. 建立模型基础部件（静态）
- 3. 创建关节连接部件（动态）
- 4. Gazebo基本仿真
- 二、创建Velodyne HDL-32 LiDAR传感器
- 1. 创建基本世界
- 2. 创建传感器静态模型
- 3. 添加模型惯性
- 4. 添加关节
- 5. 添加传感器
- 总结
一、自定义模型并导入Gazebo
- 内容简介：本节内容以一个两轮移动机器人为例，使用差动驱动机构运动，从无到有，使用SDF完成建模并在Gazebo中完成仿真，重点在于通过建模的细致流程掌握如何使用SDF文件和Gazebo软件完成机器人仿真。
1. 基础操作准备
- 注意：Gazebo的模型文件有着严格的要求，具体规则可见SDF格式
\qquad ① 创建模型目录
mkdir -p ~/.gazebo/models/my_robot
\qquad ② 创建模型配置文件
gedit ~/.gazebo/models/my_robot/model.config
\qquad 元数据（config）内容如下：
<?xml version="1.0"?><model><name>My Robot</name><version>1.0</version><sdf version='1.4'>model.sdf</sdf><author><name>My Name</name><email>me@my.email</email></author><description>My awesome robot.</description></model>
\qquad ② 创建模型配置文件
gedit ~/.gazebo/models/my_robot/model.sdf
\qquad 必要标记（sdf）内容如下：
<?xml version='1.0'?><sdf version='1.4'><model name="my_robot"></model></sdf>
2. 建立模型基础部件（静态）
- 基本要求：本节内容主要是单独创建机器人的各部件，例如底座、轮子等，不涉及相关关节连杆等链接内容，重点在于对齐组件，故模型为静态，忽略物理效果。
\qquad ① 令机器人模型静态
注意：在static标签后将会在link标签下生成对应部件，通过collision的name隔开，故在后代码展示中则会忽略一部分，请自行补充
<?xml version='1.0'?><sdf version='1.4'><model name="my_robot"><static>true</static></model></sdf>
\qquad ② 创建长方体的底座
代码解释：
- box 标签，用于产生对应尺寸的长方体
- collision 标签，指定碰撞尺寸
- visual 标签，指定视觉尺寸，常见情况下与collision相同
<?xml version='1.0'?>
<sdf version='1.4'><model name="my_robot"><static>true</static><link name='chassis'><pose>0 0 .1 0 0 0</pose><collision name='collision'><geometry><box><size>.4 .2 .1</size></box></geometry></collision><visual name='visual'><geometry><box><size>.4 .2 .1</size></box></geometry></visual></link></model>
</sdf>
\qquad ③ 创建脚轮（万向轮）
注意：脚轮固定在底座上，故二者同属一个link
<collision name='caster_collision'><pose>-0.15 0 -0.05 0 0 0</pose><geometry><sphere><radius>.05</radius></sphere></geometry><surface><friction><ode><mu>0</mu><mu2>0</mu2><slip1>1.0</slip1><slip2>1.0</slip2></ode></friction></surface></collision><visual name='caster_visual'><pose>-0.15 0 -0.05 0 0 0</pose><geometry><sphere><radius>.05</radius></sphere></geometry></visual></link>
\qquad ④ 创建前轮和后轮
注意：前轮和后轮分别创建了新的link
<link name="left_wheel"><pose>0.1 0.13 0.1 0 1.5707 1.5707</pose><collision name="collision"><geometry><cylinder><radius>.1</radius><length>.05</length></cylinder></geometry></collision><visual name="visual"><geometry><cylinder><radius>.1</radius><length>.05</length></cylinder></geometry></visual></link><link name="right_wheel"><pose>0.1 -0.13 0.1 0 1.5707 1.5707</pose><collision name="collision"><geometry><cylinder><radius>.1</radius><length>.05</length></cylinder></geometry></collision><visual name="visual"><geometry><cylinder><radius>.1</radius><length>.05</length></cylinder></geometry></visual></link>
\qquad ⑤ 导入Gazebo可视化模型
- 使用INSERT导入对应文件夹的模型，可看到模型如下：
注意：修改SDF文件后，只需要删除原有模型重新插入就会更新模型
3. 创建关节连接部件（动态）
- 基本要求：将static设为false，为左右车轮添加铰链关节，关节绕Y轴旋转，将各车轮连接到底盘
<static>false</static>
<joint type="revolute" name="left_wheel_hinge"><pose>0 0 -0.03 0 0 0</pose><child>left_wheel</child><parent>chassis</parent><axis><xyz>0 1 0</xyz></axis></joint><joint type="revolute" name="right_wheel_hinge"><pose>0 0 0.03 0 0 0</pose><child>right_wheel</child><parent>chassis</parent><axis><xyz>0 1 0</xyz></axis></joint>
4. Gazebo基本仿真
- 基本操作：启动Gazebo，插入最新模型，打开隐藏的右面板，选择好要控制的模型，如下图给Force下的各关节力进行修改，机器人就会发生移动：
二、创建Velodyne HDL-32 LiDAR传感器
- 内容简介：本节内容以一个两轮移动机器人为例，使用差动驱动机构运动，从无到有，使用SDF完成建模并在Gazebo中完成仿真，重点在于通过建模的细致流程掌握如何使用SDF文件和Gazebo软件完成机器人仿真。
1. 创建基本世界
- 创建新的
.world文件：
gedit velodyne.world
- 创建世界的环境：地面与光线
<?xml version="1.0" ?>
<sdf version="1.5"><world name="default"><!-- A global light source --><include><uri>model://sun</uri></include><!-- A ground plane --><include><uri>model://ground_plane</uri></include></world>
</sdf>
2. 创建传感器静态模型
- 传感器基础部分2D绘图如下：
- 对应代码如下：位于< world >的内部
<model name="velodyne_hdl-32"><!-- Give the base link a unique name --><link name="base"><!-- Offset the base by half the lenght of the cylinder --><pose>0 0 0.029335 0 0 0</pose><collision name="base_collision"><geometry><cylinder><!-- Radius and length provided by Velodyne --><radius>.04267</radius><length>.05867</length></cylinder></geometry></collision><!-- The visual is mostly a copy of the collision --><visual name="base_visual"><geometry><cylinder><radius>.04267</radius><length>.05867</length></cylinder></geometry></visual></link><!-- Give the base link a unique name --><link name="top"><!-- Vertically offset the top cylinder by the length of the bottomcylinder and half the length of this cylinder. --><pose>0 0 0.095455 0 0 0</pose><collision name="top_collision"><geometry><cylinder><!-- Radius and length provided by Velodyne --><radius>0.04267</radius><length>0.07357</length></cylinder></geometry></collision><!-- The visual is mostly a copy of the collision --><visual name="top_visual"><geometry><cylinder><radius>0.04267</radius><length>0.07357</length></cylinder></geometry></visual></link>
</model>
- 启动Gazebo查看模型：(先cd到文件路径下)
cd ~/gazebo velodyne.world -u
- 查看碰撞属性：右键点击模型，view→Collisions
3. 添加模型惯性
- 3.1 查看当前惯性值：右键单击模型，选择View->Inertia
注意：紫色框对应关联的链接大小，此时模型没有惯性信息，故尺寸过大
- 3.2 添加惯性信息：质量设为1.3kg，添加对应质量和惯性矩阵
在< link name=“base” >块中添加以下内容：
<link name="base"><pose>0 0 0.029335 0 0 0</pose><inertial><mass>1.2</mass><inertia><ixx>0.001087473</ixx><iyy>0.001087473</iyy><izz>0.001092437</izz><ixy>0</ixy><ixz>0</ixz><iyz>0</iyz></inertia></inertial>
在< link name=“top” >块中添加以下内容：
<link name="top"><pose>0 0 0.095455 0 0 0</pose><inertial><mass>0.1</mass><inertia><ixx>0.000090623</ixx><iyy>0.000090623</iyy><izz>0.000091036</izz><ixy>0</ixy><ixz>0</ixz><iyz>0</iyz></inertia></inertial>
最终效果如下：
4. 添加关节
- 4.1 定义顶部围绕底部旋转关节，在< world >最后添加内容如下：
<!-- Each joint must have a unique name -->
<joint type="revolute" name="joint"><!-- Position the joint at the bottom of the top link --><pose>0 0 -0.036785 0 0 0</pose><!-- Use the base link as the parent of the joint --><parent>base</parent><!-- Use the top link as the child of the joint --><child>top</child><!-- The axis defines the joint's degree of freedom --><axis><!-- Revolve around the z-axis --><xyz>0 0 1</xyz><!-- Limit refers to the range of motion of the joint --><limit><!-- Use a very large number to indicate a continuous revolution --><lower>-10000000000000000</lower><upper>10000000000000000</upper></limit></axis>
</joint>
- 4.2 检验效果：
1. 启动Gazebo，右键单击模型，选择View->Joints，View->Transparent
2. 打开右面板，选择Velodyne模型。使用Force选项卡向关节施加较小的，可看到关节旋转即可
5. 添加传感器
- 传感器基本信息：
激光传感器，可以发出一个或多个光束，光束产生距离和强度数据，对应SDF文件中的< scan >和< range >，分别对应波束的布局、数量和限定束的性质，其中< scan >中包含< horizontal >和< vertical >两个块。< horizontal >组件定义在水平平面中发出的光线，该< vertical >组件定义在垂直平面中发出的光线，Velodyne传感器需要垂直射线，然后旋转。我们将其模拟为旋转的水平扇面。
- 添加并设置传感器：(在的最后部分添加以下内容)
<!-- Add a ray sensor, and give it a name -->
<sensor type="ray" name="sensor"><!-- Position the ray sensor based on the specification. Also rotateit by 90 degrees around the X-axis so that the <horizontal> raysbecome vertical --><pose>0 0 -0.004645 1.5707 0 0</pose><!-- Enable visualization to see the rays in the GUI --><visualize>true</visualize><!-- Set the update rate of the sensor --><update_rate>30</update_rate><ray><!-- The scan element contains the horizontal and vertical beams.We are leaving out the vertical beams for this tutorial. --><scan><!-- The horizontal beams --><horizontal><!-- The velodyne has 32 beams(samples) --><samples>32</samples><!-- Resolution is multiplied by samples to determine number ofsimulated beams vs interpolated beams. See:http://sdformat.org/spec?ver=1.6&elem=sensor#horizontal_resolution--><resolution>1</resolution><!-- Minimum angle in radians --><min_angle>-0.53529248</min_angle><!-- Maximum angle in radians --><max_angle>0.18622663</max_angle></horizontal></scan><!-- Range defines characteristics of an individual beam --><range><!-- Minimum distance of the beam --><min>0.05</min><!-- Maximum distance of the beam --><max>70</max><!-- Linear resolution of the beam --><resolution>0.02</resolution></range>
</ray>
</sensor>
- 查看仿真效果：
- 添加高斯噪声：
在< sensor >的子标签< ray >中添加如下代码：
<noise><!-- Use gaussian noise --><type>gaussian</type><mean>0.0</mean><stddev>0.1</stddev> </noise>效果如下：
- 通过Ctrl+T打开topic visualization查看：
总结
- 内容分析：本篇博客主要介绍了在Gazebo中如何使用SDF进行手动的编程建模，通过编写SDF文件，实现对于机器人从无到有的一步步建造，体会SDF文件的语法使用，并在文章整体使用两个具体实例，分别是轮式小车和Velodyne HDL-32 LiDAR传感器模型进行了深入研究。
- 注意：本文参考了Gazebo官方网站以及古月居中的Gazebo有关教程，主要目的是方便自行查询知识，巩固学习经验，无任何商业用途。
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