几块钱的超声波也能仿真？ROS2仿真之添加超声波传感器

大家好，我是小鱼，最近有些偷懒了，对了，ROS2的第一个五年支持版本发布了，动手学ROS2相关课程和文档也开始正式迁移至Humble版本啦~

本节是拓展章节，主要讲解一下如何给FishBot添加一个超声波传感器。

在实际的机器人开发过程中，我们可能会利用超声波传感器实现实时避障的功能，毕竟超声波的价格相较于激光雷达要便宜很多（便宜的几块钱）。

所以本节我们来说一下如何使用ROS2+Gazebo来仿真超声波传感器。

1.超声波传感器介绍

百科来一段：

超声波传感器是将超声波信号转换成其它能量信号（通常是电信号）的传感器。超声波是振动频率高于20kHz的机械波。它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。超声波传感器广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。

接着看看长什么样子：

便宜的就长这样子，一共两个头，一个头用于发送波，一个头接收波。这个还稍微高级一点，带一个光敏电阻，可以为超声波数据做一些补偿。

超声波传感器原理是什么呢？

距离=(发送时间-接收时间)*速度/2

看了超声波的原理，你有没有发现和前面的激光雷达传感器是一样的，是的，所以超声波传感器插件和激光雷达传感器插件在Gazebo插件中是同一个：

libgazebo_ros_ray_sensor.so

2.超声波插件配置

直接上配置，接着再解释

2.1 添加超声波关节

超声波总要装在机器人身上某个位置，所以我们先添加一个关节和Joint，为了省事，link我们就只写个名字，你如果有需要可以按照前面的章节那样添加一下。

<link name="ultrasonic_sensor_link" /><joint name="ultrasonic_sensor_joint" type="fixed"><parent link="base_link"/><child link="ultrasonic_sensor_link"/><origin xyz="0.07 0.0 0.076" rpy="0 0 0"/></joint>

2.2 添加Gazebo插件

添加完了关节，我们就可以配置gazebo的插件了，gazebo插件配置如下

<gazebo reference="ultrasonic_sensor_link"><sensor type="ray" name="ultrasonic_sensor"><pose>0 0 0 0 0 0</pose><!-- 是否可视化，gazebo里能不能看到 --><visualize>true</visualize><!-- 扫描速率，也就是数据更新速率 --><update_rate>5</update_rate><ray><scan><!-- 水平扫描的点数 --><horizontal><samples>5</samples><resolution>1</resolution><min_angle>-0.12</min_angle><max_angle>0.12</max_angle></horizontal><!-- 垂直方向扫描的点数 --><vertical><samples>5</samples><resolution>1</resolution><min_angle>-0.01</min_angle><max_angle>0.01</max_angle></vertical></scan><!-- 超声波检测的范围和数据分辨率单位m --><range><min>0.02</min><max>4</max><resolution>0.01</resolution></range><!-- 数据噪声采用高斯噪声 --><noise><type>gaussian</type><mean>0.0</mean><stddev>0.01</stddev></noise></ray><plugin name="ultrasonic_sensor_controller" filename="libgazebo_ros_ray_sensor.so"><ros><!-- 重映射输出的话题名称 --><remapping>~/out:=ultrasonic_sensor_1</remapping></ros><!-- 输出消息的类型，注意与雷达区分，这里是sensor_msgs/Range --><output_type>sensor_msgs/Range</output_type><!-- 射线类型，这里要写ultrasound，注意和雷达区分 --><radiation_type>ultrasound</radiation_type><!-- frame名称，填写link名称即可 --><frame_name>ultrasonic_sensor_link</frame_name></plugin></sensor></gazebo>

3.编译运行测试

3.1Gazebo可视化

添加完成后就可以编译测试下代码

colcon build --packages-select fishbot_description
source install/setup.bash

ros2 launch fishbot_description gazebo.launch.py

没有物体的前面可以放个东西，因为本节是后面补充的，所有小鱼这里有个墙。

3.2话题数据

打开终端，输入下面指令

ros2 topic list
ros2 topic info /ultrasonic_sensor_1
ros2 topic echo /ultrasonic_sensor_1

不出意外可以看到下面的数据

header:stamp:sec: 4458nanosec: 1000000frame_id: ultrasonic_sensor_link
radiation_type: 0
field_of_view: 0.23999999463558197
min_range: 0.019999999552965164
max_range: 4.0
range: 2.6798219680786133

这里的range就是fishbot到墙之间的距离：2.67982

我们来讲一讲超声波传感器的数据类型sensor_msgs/msg/Range

# ros2 topic info /ultrasonic_sensor_1
Type: sensor_msgs/msg/Range
Publisher count: 1
Subscription count: 0

你可以使用ros2 interface show sensor_msgs/msg/Range看到详细的解释，我们翻译一下

# Single range reading from an active ranger that emits energy and reports
# one range reading that is valid along an arc at the distance measured.
# This message is  not appropriate for laser scanners. See the LaserScan
# message if you are working with a laser scanner.
#
# This message also can represent a fixed-distance (binary) ranger.  This
# sensor will have min_range===max_range===distance of detection.
# These sensors follow REP 117 and will output -Inf if the object is detected
# and +Inf if the object is outside of the detection range.std_msgs/Header header # timestamp in the header is the time the ranger# returned the distance reading# Radiation type enums
# If you want a value added to this list, send an email to the ros-users list
uint8 ULTRASOUND=0
uint8 INFRARED=1uint8 radiation_type    # 传感器射线类型# (sound, IR, etc) [enum]float32 field_of_view   # 距离数据对应的弧[rad]的大小，测量物体的范围介于       # -field_of_view/2 到 field_of_view/2 之间。# 0 角度对应于传感器的 x 轴。float32 min_range       # 最小范围值 [m]
float32 max_range       # 最大范围值 [m]#  固定距离需要 min_range==max_rangefloat32 range           # 范围数据 [m]# (Note: values < range_min or > range_max should be discarded)# Fixed distance rangers only output -Inf or +Inf.# -Inf represents a detection within fixed distance.# (Detection too close to the sensor to quantify)# +Inf represents no detection within the fixed distance.# (Object out of range)

结论，主要关注range就可以了。

3.3 在RVIZ2中可视化超声波数据

Add ->By topic->Range

4.总结

本节主要介绍了如何对超声波传感器进行仿真，在导航的过程中我们通常把超声波放到一个代价地图中进行使用。所以学习其仿真还是很有用的。