0 学习目标

对于ROS新手而言，可能会有疑问:学习机器人操作系统，实体机器人是必须的吗？答案是否定的，机器人一般价格不菲，为了降低机器人学习、调试成本，在ROS中提供了系统的机器人仿真实现，通过仿真，可以实现大部分需求，本章主要就是围绕“仿真”展开的，比如，本章会介绍:

• 如何创建并显示机器人模型 —— URDF 创建模型
• 如何搭建仿真环境 —— Gzebo 仿真环境
• 如何实现机器人模型与仿真环境的交互 —— Rviz

本章预期的学习目标如下:

• 能够独立使用URDF创建机器人模型，并在Rviz和Gazebo中分别显示
• 能够使用Gazebo搭建仿真环境
• 能够使用机器人模型中的传感器(雷达、摄像头、编码器…)获取仿真环境数据

下载素材：主目录下的 sim_demo

• git clone https://github.com/zx595306686/sim_demo.git

1 相关组件

概念

• 机器人系统仿真：是通过计算机对实体机器人系统进行模拟的技术，在 ROS中，仿真实现涉及的内容主要有三:对机器人建模(URDF)、创建仿真环境，比如障碍物信息(Gazebo)以及感知环境，以机器人的视角观察世界(Rviz)等系统性实现。

1.1 URDF —— 机器人建模

• URDF是 Unified Robot Description Format 的首字母缩写，直译为统一(标准化)机器人描述格式，可以以一种XML 的方式描述机器人的部分结构，比如底盘、摄像头、激光雷达、机械臂以及不同关节的自由度…,该文件可以被 C++
  内置的解释器转换成可视化的机器人模型，是 ROS 中实现机器人仿真的重要组件。

1.2 Rviz —— 感知环境

• RViz 是 ROS Visualization Tool 的首字母缩写，直译为ROS的三维可视化工具。它的主要目的是以三维方式显示ROS消息，可以将数据进行可视化表达。例如：可以显示机器人模型，可以无需编程就能表达激光测距仪（LRF）传感器中的传感器到障碍物的距离，RealSense、Kinect或Xtion等三维距离传感器的点云数据（PCD， Point Cloud Data），从相机获取的图像值等。
• 以“ros- [ROS_DISTRO] -desktop-full”命令安装ROS时，RViz会默认被安装

1.3 Gazebo —— 创建仿真环境

• Gazebo是一款3D动态模拟器，用于显示机器人模型并创建仿真环境，能够在复杂的室内和室外环境中准确有效地模拟机器人。与游戏引擎提供高保真度的视觉模拟类似，Gazebo提供高保真度的物理模拟，其提供一整套传感器模型，以及对用户和程序非常友好的交互方式。
• 以“ros- [ROS_DISTRO] -desktop-full”命令安装ROS时，gzebo会默认被安装

2 课程说明

机器人的系统仿真是一种集成实现，主要包含三部分:

• URDF 用于创建机器人模型
• Gzebo 用于搭建仿真环境
• Rviz 图形化的显示机器人各种传感器感知到的环境信息

三者应用中，只是创建 URDF 意义不大，一般需要结合 Gazebo 或 Rviz 使用，在 Gazebo 或 Rviz 中可以将 URDF 文件解析为图形化的机器人模型，一般的使用组合为：

• 如果非仿真环境，那么使用 URDF 结合 Rviz 直接显示感知的真实环境信息
• 如果是仿真环境，那么需要使用 URDF 结合 Gazebo 搭建仿真环境，并结合 Rviz 显示感知的虚拟环境信息

3 URDF 集成 Rviz 基本流程

URDF 不能单独使用，需要结合 Rviz 或 Gazebo，URDF 只是一个文件，需要在 Rviz 或 Gazebo 中渲染成图形化的机器人模型，当前，首先演示URDF与Rviz的集成使用，因为URDF与Rviz的集成较之于URDF与Gazebo的集成更为简单，后期，基于Rviz的集成实现，我们再进一步介绍URDF语法。

• 需求描述：在 Rviz 中显示一个盒状机器人

实现流程：

• 准备：新建功能包，导入依赖
• 核心：编写 urdf 文件
• 核心：在 launch 文件集成 URDF 与 Rviz
• 在 Rviz 中显示机器人模型

3.1 创建功能包，导入依赖 —— 功能包 urdf01_rviz

• 功能包 urdf01_rviz
• 导入依赖 urdf xacro
• 创建 4 个 文件夹：launch、urdf、meshes(放皮肤)、config(存储配置文件)

创建一个新的功能包，名称自定义，导入依赖包：urdf与xacro
在当前功能包下，再新建几个目录:

• urdf：存储 urdf 文件的目录
• meshes：机器人模型渲染文件(暂不使用)
• config：配置文件
• launch：存储 launch 启动文件

3.2 编写 URDF 文件 —— demo01_helloworld.urdf

首先在 URDF 文件下 新建两个文件夹：urdf + xacro

• 新建一个子级文件夹：urdf(可选)，文件夹中添加一个.urdf文件,复制如下内容

<robot name="mycar"><link name="base_link"> 连杆<visual> 可视化<geometry> 几何模型<box size="0.5 0.2 0.1" /> box是盒子</geometry></visual></link>
</robot>

3.3 launch 文件集成 URDF 与 Rviz —— demo01_helloworld.launch

在launch目录下，新建一个 launch 文件，该 launch 文件需要启动 Rviz，并导入 urdf 文件，Rviz 启动后可以自动载入解析urdf文件，并显示机器人模型。
核心问题：如何导入 urdf 文件? 在 ROS 中，可以将 urdf 文件的路径设置到参数服务器，使用的参数名是：robot_description。

<launch><!-- 1. 在参数服务器载入 urdf 文件 robot_description是固定--><param name="robot_description" textfile="$(find urdf01_rviz)/urdf/urdf/demo01_helloworld.urdf" /><!-- 2. 启动 rviz --><node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" />
</launch>

3.3.1 编译执行

• 启动窗口1

cd demo03_ws/
source ./devel/setup.bash
roslaunch urdf01_rviz demo01_helloworld.launch

3.3.2 Rviz 设置参数

1. 点击 Add，在里面添加 RobotModel
2. 会出现报错
3. 然后将 Fixed Frame 里面的 map 修改为 base_link（urdf 里面 link name=“base_link”）
4. Add 里面加坐标系 Axes

3.4 Rviz 中显示机器人模型(重要)

rviz 启动后，会发现并没有盒装的机器人模型，这是因为默认情况下没有添加机器人显示组件，需要手动添加，添加方式如下：

• 红色 x 轴 长度
• 绿色 y 轴 宽度
• 蓝色 z 轴 高度
  

3.5 优化 rviz 启动 (保存 重要)

重复启动launch文件时，Rviz 之前的组件配置信息不会自动保存，需要重复执行步骤4的操作，为了方便使用，可以使用如下方式优化：

• 首先，将当前配置 urdf01_rviz 保存进 config 目录，设置文件名 show_mycar
  
• 然后，launch文件中 Rviz 的启动配置添加参数：args，值设置为 -d 配置文件路径

<launch><param name="robot_description" textfile="$(find 包名)/urdf/urdf/urdf01_HelloWorld.urdf" /><node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find 报名)/config/rviz/show_mycar.rviz" />
</launch>

• 就是将 rviz 读进来

<launch><!-- 1. 在参数服务器载入 urdf 文件 robot_description是固定--><param name="robot_description" textfile="$(find urdf01_rviz)/urdf/urdf/demo01_helloworld.urdf" /><!-- 2. 启动 rviz --><node pkg="rviz" type ="rviz" name="rviz" args ="-d $(find urdf01_rviz)/config/show_mycar.rviz"/>
</launch>