【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

• 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>[email protected]</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：

1. box 标签，用于产生对应尺寸的长方体
2. collision 标签，指定碰撞尺寸
3. 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 bottom cylinder 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 rotate it by 90 degrees around the X-axis so that the <horizontal> rays become 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 of simulated 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。