Github链接:
https://github.com/chanchanchan97/ROS


1. 模型描述


本项目的目的是创建一个基于阿克曼转向机构(Ackermann steering)的简易四轮小车模型,该模型采用后轮双驱,而前轮在设计时选择独立转向,之后通过算法对两个前轮单独控制,模拟阿克曼转向模型。车体以简单的立方体来表示,并且在前端创建一个小立方体表示摄像头。


2. URDF文件


URDF全称为Unified Robot Description Format(统一机器人描述格式),是一种基于XML规范、用于描述机器人结构的格式。
从机构学角度讲,机器人通常被建模为由连杆(link)和关节(joint)组成的结构。连杆(link)是带有质量属性的刚体,而关节(joint)是连接、限制两个刚体相对运动的结构。通过关节将连杆依次连接起来,就构成了一个个运动链(也就是这里所定义的机器人模型)。URDF文件即描述了这样的一系列关节与连杆的相对关系、惯性属性、几何特点和碰撞模型,简单来说包含了机器人模型的运动学与动力学描述、机器人的几何表示、机器人的碰撞模型。


3. link元素


link元素描述了具有惯性,视觉特征和碰撞特性的刚体。以小车主体部分为例,创建如下的URDF文件内容。


<link name=”base_link”>
<inertial>
<origin xyz=”0 0 0.055”/>
<mass value=”1.0” />
<inertia ixx=”${1_(0.16_0.16+0.02_0.02)/12}” ixy=”0.0” ixz=”0.0” iyy=”${1_(0.25_0.25+0.02_0.02)/12}” iyz=”0.0” izz=”${1_(0.16_0.16+0.25_0.25)/12}”/>
</inertial>
<visual>
<origin xyz=”0 0 0.055” rpy=”0 0 0” />
<geometry>
<box size=”0.25 0.16 0.02”/>
</geometry>
<material name=”blue”>
<color rgba=”0 0 0.8 1”/>
</material>
</visual>
<collision>
<origin xyz=”0 0 0.055” rpy=”0 0 0” />
<geometry>
<box size=”0.25 0.16 0.02” />
</geometry>
</collision>
</link>

在这里插入图片描述


4. link属性详解


(1) name (必选)
link的名字,可以任意指定,在这里名字为base_link。
(2) inertial (可选)


  • origin (可选:如果未指定,则默认为identity)
    这是惯性参考系相对于链路参考系的姿态。惯性参考系的原点需要位于重心处。惯性参考系的轴不需要与惯性的主轴对齐。
    • xyz (可选:如果未指定,默认为零向量)
      表示link刚体的重心位置分别在x轴,y轴,z轴方向上的偏移量。
    • rpy (可选:如果未指定,则默认为identity)
      以弧度表示固定轴的滚动,俯仰和偏航角度。
  • mass
    链接的质量由此元素的value属性表示。
  • inertia
    3x3转动惯量矩阵,以惯性框架表示。因为转动惯量矩阵是对称的,所以这里使用属性ixx,ixy,ixz,iyy,iyz,izz指定该矩阵的6个以上对角线元素。

(3) visual (可选)
link的可视属性。此元素指定对象的形状(例如:立方体(box),圆柱(cylinder)等)以用于可视化目的。
注意:同一链接(link)可以存在多个visual标记实例。


  • name
    指定链接(link)几何的一部分的名称。不常用属性。
  • origin (可选:如果未指定,则默认为identity)
    这是惯性参考系相对于链路参考系的姿态。惯性参考系的原点需要位于重心处。惯性参考系的轴不需要与惯性的主轴对齐。
    • xyz (可选:如果未指定,默认为零向量)
      表示link刚体的重心位置分别在x轴,y轴,z轴方向上的偏移量,单位米。
    • rpy (可选:如果未指定,则默认为identity)
      以弧度表示的固定轴滚动,俯仰和偏航角度。
  • geometry (必选)
    • box (立方体)
      size属性包含框的三个边长。立方体的原点在它的中心。
    • cylinder (圆柱)
      指定半径和长度。圆柱的原点位于其中心。
    • sphere (球)
      指定半径。球体的原点位于其中心。
    • mesh
      当想添加更为复杂的模型时,可以通过.stl等mesh文件导入模型。
  • material (可选)
    视觉元素的材料。允许在顶层robot元素中指定link对象之外的材质元素。然后,您可以在链接元素中按名称引用材料。
    • name
      材料的名称。
    • color (可选)
      rgba由四个数字组成的材料颜色,分别表示红色/绿色/蓝色/alpha,每个数字的范围为[0,1]。alpha即色彩空间,也就是透明度/不透明度。
    • texture (可选)
      材质的纹理由文件名指定。

(4) collision (可选)
链接(link)的碰撞属性。请注意,这可能与链接的可视属性不同,例如,通常使用更简单的碰撞模型来减少计算时间。
注意:同一链接可以存在多个collision标记实例。
它们定义的几何的联合形成了链接的碰撞表示。该属性主要是在模拟时模型会与其他模型发生碰撞,不设置该属性的话会出现两个模型相互穿过的情况,设置该属性后在geometry设定的形状内两个模型会发生碰撞。


  • name (可选)
    指定链接几何的一部分的名称。这对于能够引用链接几何的特定位是有用的。
  • origin (可选:如果未指定,则默认为identity)
    碰撞元素的参考系相对于链接的参考系。
    • xyz (可选:如果未指定,默认为零向量)
      表示link刚体的重心位置分别在x轴,y轴,z轴方向上的偏移量,单位米。
    • rpy (可选:如果未指定,则默认为identity)
      以弧度表示的固定轴滚动roll,俯仰pitch和偏航yaw角度。
  • geometry
    请参阅上述可视元素中的几何描述。

5. joint元素


joint元素描述了机器人关节的运动学和动力学,并且指定了关节的安全限制。以小车左后轮的关节为例,创建如下的URDF文件内容。


<joint name=”left_back_wheel_joint” type=”continuous”>
<axis xyz=”0 0 1”/>
<parent link=”base_link”/>
<child link=”left_back_wheel”/>
<origin rpy=”0 ${M_PI/2} ${M_PI/2}” xyz=”-0.08 0.08 0.025”/>
<dynamics damping=”0.0”/>
<limit effort=”100” velocity=”100”/>
<joint_properties damping=”0.0” friction=”0.0”/>
</joint>

    在这里插入图片描述


    6. joint属性详解


    (1) name (必选)
    指定joint的名字(唯一的)
    (2) type (必选)


    • 指定joint的类型,有下列选项:


      • revolute - 可以绕着一个轴旋转的铰链关节,有最大值和最小值限制。
      • continuous - 连续型的铰链关节,可以绕一个轴旋转,没有最大值和最小值限制。
      • prismatic - 滑动关节,可以沿着一个轴滑动,有最大值和最小值限制。
      • fixed - 这不是一个实际的关节,因为它无法运动,所有的自由度都被锁定。这种类型的关节不需要指定轴、动力学特征、标度和最大值最小值限制。
      • floating - 这是一个具有6个自由度的关节。
      • planar - 此关节在一个平面内运动,垂线是运动轴。
    • origin (可选:如果未指定,则默认为identity)
      从parent link到child link的变换,joint位于child link的原点,具体如图所示。


      • xyz (可选:如果未指定,默认为零向量)
        表示link刚体的重心位置分别在x轴,y轴,z轴方向上的偏移量,单位米。
      • rpy (可选:如果未指定,则默认为identity)
        以弧度表示的固定轴滚动,俯仰和偏航角度。
    • parent (必选)
      parent link的名字是一个强制的属性,是这个link在机器人结构树中的名字。 可以理解为parent是主题,child是固定在主体上的配件。

    • child (必选)
      child link的名字是一个强制的属性,是这个link在机器人结构树中的名字。

    • axis (可选: 默认为(1,0,0))
      joint的axis轴在joint的坐标系中。这是revolute joint旋转的轴,prismatic joint移动的轴,是planar joint的标准平面。这个轴在joint坐标系中被指定。fixed和floating类型的joint不需要用到这个字段。

    • xyz (必选)
      代表轴向量的x,y,z分量,这应该是一个标准化的向量。

    • calibration (可选)
      joint的参考点,用来矫正joint的绝对位置。

    • rising (可选)
      当joint正向运动时,参考点会触发一个上升沿。

    • falling (可选)
      当joint正向运动时,参考点会触发一个下降沿。

    • dynamics (可选)
      该元素用来指定joint的物理性能。它的值被用来描述joint的建模性能,尤其是在仿真的时候。

    • damping (可选,默认为0)
      joint的阻尼值(移动关节为






      N





      s



      m




      \frac{N⋅s}{m}


      mNs
      ,旋转关节为






      N





      m





      s




      r


      a


      d





      \frac{N⋅m⋅s}{rad}


      radNms
      )

    • friction (可选,默认为0)
      joint的摩擦力值(移动关节为




      N



      N


      N
      ,旋转关节为




      N





      m



      N⋅m


      Nm
      )

    • limit (只有type为revolute and prismatic时必选)
      该元素包含以下属性:

    • lower (可选,默认为0)
      指定joint运动范围下界的属性(revolute joint的单位为弧度,prismatic joint的单位为米),连续型的joint忽略该属性。

    • upper (可选,默认为0)
      指定joint运动范围上界的属性(revolute joint的单位为弧度,prismatic joint的单位为米),连续型的joint忽略该属性。

    • effort (必选)
      该属性指定了joint运行时的最大的力,|applied effort|<|effort|。

    • velocity (必选)
      该属性指定了joint运行时的最大的速度。

    • mimic (可选) (New with ROS Groovy. See issue)
      这个标签用于指定已定义的joint来模仿已存在的joint。这个joint的值可以用公式计算 value = multiplier _ other_joint_value + offset. 有如下可选的属性:


      • joint (必选)
        需要模仿的joint的名字。
      • multiplier (可选)
        指定上述公式中的乘数因子。
      • offset (可选)
        指定上述公式中的偏移项。默认值为0 (revolute joint的单位为弧度,prismatic joint的单位为米)。
    • safety_controller (可选)
      该元素包含下列属性:


      • soft_lower_limit (可选,默认为0)
        该属性指定了joint安全控制边界的下界,是joint安全控制的起始限制点。这个值需要大于上述的limit中的lower值。
      • soft_upper_limit (可选,默认为0)
        该属性指定了joint安全控制边界的上界,是joint安全控制的起始限制点。这个值需要小于上述的limit中的upper值。
      • k_position (可选,默认为0)
        本属性用于说明位置和速度之间的关系。
      • k_velocity (必选)
        本属性用于说明力和速度之间的关系。

    7. Rviz可视化


    Rviz是ROS官方提供的一款3D可视化工具,几乎我们需要用到的所有机器人相关数据都可以在Rviz中展现,但是不能模拟碰撞、重力等物理现象。


    7.1 创建launch文件


    创建完URDF文件后,可以通过launch文件在Rviz中查看所创建的模型,launch文件具体内容如下。


    <launch>
    <arg name=”model” />
    <arg name=”gui” default=”true” />
    <param name=”robot_description” textfile=”$(find smartcar_description)/urdf/urdf/smartcar.urdf” />
    <param name=”use_gui” value=”$(arg gui)”/>
    <node name=”joint_state_publisher” pkg=”joint_state_publisher” type=”joint_state_publisher” >
    </node>
    <node name=”robot_state_publisher” pkg=”robot_state_publisher” type=”state_publisher” />
    <node name=”rviz” pkg=”rviz” type=”rviz” args=”-d $(find smartcar_description)/config/smartcar.rviz” required=”true”/>
    </launch>

      说明:


      • <arg name=“gui” default=“true” />的作用是使能joint_state_publisher节点的GUI界面,发布各个关节(joint)消息,验证各个关节(joint)功能。
        在这里插入图片描述

      • 启动joint_state_publisher节点和robot_state_publisher节点,joint_state_publisher发布/joint_states话题消息,robot_state_publisher则接收/joint_states话题消息,发布tf变换关系,并由Rviz显示出来。
        在这里插入图片描述

      • args=”-d $(find smartcar_description)/config/smartcar.rviz”表示加载和保存的Rviz配置文件路径。


      7.2 启动Rviz


      打开一个新的终端,输入以下指令,启动Rviz,查看所创建的模型。


      $ roslaunch smartcar_description base_urdf_rviz.launch
      • 1

      说明:


      • 若Rviz中没有正确显示模型,首先检查是否添加RobotModel,然后检查Fixed Frame是否为base_link。
      • 若在左栏中添加TF,可以显示各个link之间的TF关系。

      在这里插入图片描述