# 机器人仿真

课件

# 目标

能够使用 URDF 创建机器人模型，并在 Rviz (感知环境) 和 Gazebo (创建仿真环境) 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...) 获取仿真环境参数

# 工具介绍

URDF：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
Rviz: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。
运行使用命令 rviz 或 rosrun rviz rviz
sudo apt install ros-[ROS_DISTRO]-rviz
Gazebo：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。
运行使用命令 gazebo 或 rosrun gazebo_ros gazebo

# URDF 语法

# robot

robot:urdf 中为了保证 xml 语法的完整性，使用了 robot 标签作为根标签，所有的 link 和 joint 以及其他标签都必须包含在 robot 标签内，在该标签内可以通过 name 属性设置机器人模型的名称

name: 指定机器人模型的名称

	<robot name="mycar">
	......
	......
	</robot>

# link

liink：urdf 中的 link 标签用于描述机器人某个部件 (也即刚体部分) 的外观和物理属性，比如：机器人底座、轮子、激光雷达、摄像头... 每一个部件都对应一个 link, 在 link 标签内，可以设计该部件的形状、尺寸、颜色、惯性矩阵、碰撞参数等一系列属性
name ---> 为连杆命名 (配对出现)
<link name="base_link">
</link>
子标签
- visual ---> 描述外观 (对应的数据是可视的)
  - geometry 设置连杆的形状
    - 标签 1: box (盒状)
      - 属性:size = 长 (x) 宽 (y) 高 (z)=abc
    - 标签 2: cylinder (圆柱)
      - 属性:radius = 半径， length = 高度
    - 标签 3: sphere (球体)
      - 属性:radius = 半径
    - 标签 4: mesh (为连杆添加皮肤)
      - 属性: filename = 资源路径 (格式:package://// 文件)
  - origin 设置偏移量与倾斜弧度
    - 属性 1: xyz=x 偏移 y 偏移 z 偏移
    - 属性 2: rpy=x 翻滚 y 俯仰 z 偏航 (单位是弧度)
  - metrial 设置材料属性 (颜色)
    - 属性: name
    - 标签: color
      - 属性: rgba = 红绿蓝权重值与透明度 (每个权重值以及透明度取值 [0,1])
- collision ---> 连杆的碰撞属性
- Inertial ---> 连杆的惯性矩阵

# joint

joint:urdf 中的 joint 标签用于描述机器人关节的运动学和动力学属性，还可以指定关节运动的安全极限，机器人的两个部件 (分别称之为 parent link 与 child link) 以 "关节" 的形式相连接，不同的关节有不同的运动形式：旋转、滑动、固定、旋转速度、旋转角度限制...., 比如：安装在底座上的轮子可以 360 度旋转，而摄像头则可能是完全固定在底座上。joint 标签对应的数据在模型中是不可见的
name ---> 为关节命名
<joint name="1_joint">
</joint>
type ---> 关节运动形式
- continuous: 旋转关节，可以绕单轴无限旋转
- revolute: 旋转关节，类似于 continues, 但是有旋转角度限制
- prismatic: 滑动关节，沿某一轴线移动的关节，有位置极限
- planer: 平面关节，允许在平面正交方向上平移或旋转
- floating: 浮动关节，允许进行平移、旋转运动
- fixed: 固定关节，不允许运动的特殊关节
子标签
- parent (必需)
  parent link 的名字是一个强制的属性：
  - link: 父级连杆的名字，是这个 link 在机器人结构树中的名字。
- child (必需)
  child link 的名字是一个强制的属性：
  - link: 子级连杆的名字，是这个 link 在机器人结构树中的名字。
- origin
  - 属性: xyz = 各轴线上的偏移量 rpy = 各轴线上的偏移弧度。
- axis
  - 属性: xyz 用于设置围绕哪个关节轴运动。

# URDF 与 Rviz 初步配置

安装功能包
catkin_create_pkg urdf01_rviz urdf xacro
在当前功能包新建目录

在 urdf 子文件新建 01.urdf 文档并输入

	<robot name="mycar">
	<link name="base_link">
	<visual>
	<geometry>
	<box size="0.5 0.2 0.1" />
	</geometry>
	</visual>
	</link>
	</robot>

在 launch 目录下新建 01.launch 文档并输入

	<launch>

	<!-- 设置参数 -->
	<param name="robot_description" textfile="$(find 包名)/urdf/urdf/urdf01_HelloWorld.urdf" />

	<!-- 启动 rviz -->
	<node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" />

	</launch>
	<!-- 包名：urdf01_rviz -->
	<!-- urdf01_HelloWorld:01 , 根据 1 自己的文档名 -->？

运行 Rviz 后 add——robotmodel，axes

将当前配置保存到 config 目录下，命名为 show_mycar.rviz，之后更改 launch 文档的内容

	<launch>
	<param name="robot_description" textfile="$(find 包名)/urdf/urdf/01.urdf" />
	<node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find 包名)/config/rviz/show_mycar.rviz" />
	</launch>

启动
source ./devel/setup.bash
roslaunch urdf01_rviz 01.launch

# xacro

在 urdf/xacro 目录下进行

编写 Xacro 文件，以变量的方式封装属性 (常量半径、高度、车轮半径...)，以函数的方式封装重复实现 (车轮的添加)
命令行进入 xacro 文件所属目录，执行: rosrun xacro xacro xxx.xacro > xxx.urdf , 会将 xacro 文件解析为 urdf 文件
rosrun xacro xacro 03_car_base.urdf.xacro > 03_car_base.urdf
检查代码是否正确
check_urdf 文件名.urdf
小车实现 (仅实现)
添加雷达和摄像头

# URDF 与 Gazebo 学习

wode

创建功能包，添加依赖
urdf xacro gazebo_ros gazebo_ros_control gazebo_plugins
建立相关目录，如 rviz

在 urdf 子文件新建 11.urdf 文档并输入

	<!--
	创建一个机器人模型 (盒状即可，box)，显示在 Gazebo 中
	-->

	<robot name="mycar">
	<link name="base_link">
	<!-- 可视化部分 -->
	<visual>
	<!-- 几何标签 -->
	<geometry>
	<box size="0.5 0.2 0.1" />
	</geometry>
	<!-- 使用默认值 -->
	<origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" />
	<!-- 颜色标签，子标签 color 中第四个为透明度，在 gazebo 中不再生效 -->
	<material name="yellow">
	<color rgba="0.5 0.3 0.0 1" />
	</material>
	</visual>
	<!-- 设置碰撞参数，如果是标准几何体，代码同上 -->
	<collision>
	<geometry>
	<box size="0.5 0.2 0.1" />
	</geometry>
	<origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" />
	</collision>
	<!-- 设置惯性矩阵 -->
	<inertial>
	<origin xyz="0 0 0" /> <!-- 重心的偏移 -->
	<mass value="6" /> <!-- 质量 -->
	<inertia ixx="1" ixy="0" ixz="0" iyy="1" iyz="0" izz="1" /> <!-- 不同空间维度的惯性参数 -->
	</inertial>
	</link>
	<!-- gazebo 自己的颜色设置，大写 -->
	<gazebo reference="base_link"> <!-- 应用与哪部分连杆 -->
	<material>Gazebo/Black</material>
	</gazebo>

	</robot>

在 launch 目录下新建 11.launch 文档并输入

	<launch>

	<!-- 将 Urdf 文件的内容加载到参数服务器 -->
	<param name="robot_description" textfile="$(find urdf11_gazebo)/urdf/11.urdf" />

	<!-- 启动 gazebo，不做任何修改 -->
	<include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch" />

	<!-- 在 gazebo 中显示机器人模型，下面命令行的固定 -->
	<node pkg="gazebo_ros" type="spawn_model" name="model" args="-urdf -model mycar -param robot_description" />
	</launch>

运行命令
rosrun gazebo_ros spawn_model -urdf -model car -param robot_description
roslaunch urdf11_gazebo 11.launch

# 构造机器人模型 (仅在电脑上实现运行)

wode

launch 文件夹内容

wode

urdf 文件夹内容

wide

# 机器人运动控制

# Arbotix

Arbotix 是一款控制电机、舵机的控制板，并提供相应的 ros 功能包，这个功能包的功能不仅可以驱动真实的 Arbotix 控制板，它还提供一个差速控制器，通过接受速度控制指令更新机器人的 joint 状态，从而帮助我们实现机器人在 rviz 中的运动。这个差速控制器在 arbotix_python 程序包中，完整的 arbotix 程序包还包括多种控制器，分别对应 dynamixel 电机、多关节机械臂以及不同形状的夹持器。

# 实现流程

安装 Arbotix noetic (rviz)
git clone https://github.com/vanadiumlabs/arbotix_ros.git
创建新功能包，准备机器人 urdf、xacro 文件
添加 Arbotix 配置文件 control.yaml

编写 launch 文件配置 Arbotix

	<node name="arbotix" pkg="arbotix_python" type="arbotix_driver" output="screen">
	<rosparam file="$(find my_urdf05_rviz)/config/hello.yaml" command="load" />
	<param name="sim" value="true" />
	</node>

启动 launch 文件并控制机器人模型运动

wode

# gazebo 下流程

已经创建完毕的机器人模型，编写一个单独的 xacro 文件，为机器人模型添加传动装置以及控制器
下 urdf 目录下新建 gazebo 目录，新建 move.xacro 文档，输入代码
将此文件集成进 xacro 文件
在集合总代码中加入 move.xacro 的路径
启动 Gazebo 并发布 /cmd_vel 消息控制机器人运动

安装 Generic keyboard teleop for twist robots.

sudo apt-get install ros-noetic-teleop-twist-keyboard

键盘控制

rosrun teleop_twist_keyboard teleop_twist_keyboard.py

rosrun teleop_twist_keyboard teleop_twist_keyboard.py _speed:=0.3 _turn:=0.5 更改速度

wode

话题控制

rostopic pub -r 10 /cmd_vel geometry_msgs/Twist "linear

wode

# a1 激光雷达

下载功能包的方法：在你的终端中输入如下命令
cd ~/catkin_ws/src //catkin_ws 为你的工作空间名称
git clone https://github.com/Slamtec/rplidar_ros.git
cd .. / // 返回上层空间
catkin_make // 编译工作空间，或直接访问 github 下载 rplidar_ros 文件后放到 src 文件夹下
usb 外接雷达
ls -l /dev/ttyUSB* 查看雷达信息
sudo chmod 666 /dev/ttyUSB0 赋予权限
roslaunch rplidar_ros view_rplidar.launch 进入 rviz

# chmod：

若用 chmod 4755 filename 可使此程序具有 root 的权限

sudo chmod 600 ××× （只有所有者有读和写的权限）

sudo chmod 644 ××× （所有者有读和写的权限，组用户只有读的权限）

sudo chmod 700 ××× （只有所有者有读和写以及执行的权限）

sudo chmod 666 ××× （每个人都有读和写的权限）

sudo chmod 777 ××× （每个人都有读和写以及执行的权限）

安装 ros_arduino_bridge 功能包

访问 hbrobotics/ros_arduino_bridge: ROS + Arduino = Robot (github.com) 下载相关文件

编译

安装 tianbot 的 github 中的 lubot_slam 功能包

访问 tianbot/lubot_slam: 使用 Arduino 作为 BaseController 配合 ROS 机器人操作系统，构建具备 SLAM 能力的 luBot 自主导航机器人，也许还有点弱智能（机器视觉与深度学习）。 (github.com)

编译

安装

gamapping 功能包
navigation 功能包

cd ~/catkin_ws/src
git clone https://github.com/ros-planning/navigation.git
git clone https://github.com/ros-perception/openslam_gmapping.git
git clone https://github.com/ros-perception/slam_gmapping.git
git init
git checkout -b kinetic-devel

若克隆连接失败，将 https 改为 git

sudo apt-get install libbullet-dev
sudo apt-get install libsdl1.2-dev
sudo apt-get install libsdl-image1.2-dev
sudo apt-get install ros-kinetic-geometry2
sudo apt-get install ros-kinetic-nav-msgs

若报错：E：定位软件包失败

如 geometry2

在 github 中搜索找到 geometry2

复制对应网址 ros/geometry2: A set of ROS packages for keeping track of coordinate transforms. (github.com)

打开终端，进入要放置的位置，输入 git clone git://github.com/ros/geometry2.git

继续上述操作

编译 catkin_make

# NFS 详解

# ssh 通信

# 连接准备

ifconfig 查看 ip 地址，如 192.168.43.128
用于连接的两台电脑处于同一局域网内，手机热点
查看主机名，终端输入 hostname
终端输入 sudo gedit /etc/hosts , 在文件中第三行输入本机 ip 地址和主机名，第四行输入待连机 ip 地址和主机名（忽略）
sudo /ect/init.d/networking restart , 若报错，在 /etc/init.d 中找到 network 文件，将之替换 networking。仍然报错，将 /etc/init.d 改为 service，还报错，hosts 中 ip 地址写错，检查

# 连接

安装 chrony 包和 ssh 服务器
sudo apt-get install chrony sudo apt-get install openssh-server
ping 待连机ip地址或主机名 ，建议 ip 地址
ssh 待连机用户名@待连机主机名或ip地址
连接成功

# 删除冲突 IP

ssh-keygen -f "/home/wlp/.ssh/known_hosts" -R "joul"

查看系统是否已经安装 ssh 客户端或者服务端：dpkg -l | grep ssh。
启动 ssh 服务：sudo /etc/init.d/ssh start
关闭 ssh 服务：sudo /etc/init.d/ssh stop
重启 ssh 服务：sudo /etc/init.d/ssh restart

# 连接控制 mini 小车（18.04 密码：raspberry，使用 wheeltec 系列小车）

打开终端，通过 ssh 连接到小车上的树莓派，192.168.0.100
ssh -Y wheeltec@192.168.0.100
密码：dongguan
注：没有 - Y，图形化等功能无法使用
远程登录后： roslaunch turn_on_wheeltec_robot turn_on_wheeltec_robot.launch
远程登录后： roslaunch wheeltec_robot_rc keyboard_teleop.launch

通过上述操作可以键盘控制小车移动

# 启动雷达

roslaunch rplidar_ros rplidar.launch
查看雷达发布的话题
rostopic list
查看数据类型
rosmsg show sensor_msgs/LaserScan

# 控制小车雷达建图

终端 ssh 连接
终端输入 roslaunch turn_on_wheeltec_robot mapping.launch
新终端输入 rviz , 使用远程终端较卡，使用本机终端
.bushrc 文件加入
export ROS_MASTER_URI=http://192.168.0.100:11311
export ROS_HOSTNAME=192.168.0.136
控制小车走完全场，完成建图
保存图形:
一键保存： roslaunch turn_on_wheeltec_robot map_saver.launch
打开地图路径： cd /home/wheeltec/wheeltec_robot/src/turn_on_wheeltec_robot/map
保存地图： rosrun map_server map_saver -f 地图名
查看图形：将远程文件挂载到本机 sudo mount -t nfs 192.168.0.100:/home/wheeltec/wheeltec_robot /mnt
打开 mnt 文件查看，保存路径在保存图形时终端有显示
建图
mapping.launch
小车初始化节点：turn_on_wheeltec_robot.launch
雷达节点：rplidar.launch
gmapping 建图节点：algorithm_gmapping.launch

# 建图算法切换

修改 mapping.launch 文件开头 <arg name="mapping_node" default="gmapping" doc="opt:gmapping,hector,cartographer,karto"/>

# 雷达跟随

roslaunch simple_follower laser_follower.launch

# SublimeText

小车开机，连接 WIFI，密码：dongguan。
NFS 挂载 (passoni 密码：raspberry)：
ssh 登录到服务端，并修改服务端系统时间为现在： sudo date -s "2021-7-7 00:00:00" 精确到分即可
这一步是因为树莓派 / Nano/TX2/NX/ 工控机的系统时间在没有连接互联网时，系统时间可能会混乱。同时我们程序修改是需要编译后才能生效的，而编译规则是只编译最新时间的修改，同时修改时间在未来即大于当前系统时间的不编译。
上一次修改时间 > 此次修改时间：不编译
此次修改时间 > 当前系统时间：不编译
指定编译编译单个功能包：
catkin_make -DCATKIN_WHITELIST_PACKAGES="功能包名"
解除指定功能包编译：
catkin_make -DCATKIN_WHITELIST_PACKAGES=""

# 源

export ROS_MASTER_URI=http://192.168.0.100:11311
export ROS_HOSTNAME=192.168.0.136

# 自主导航

运行导航节点
roslaunch turn_on_wheeltec_robot navigation.launch
启动 rviz
查看里程计传感器（odom）
rostopic echo /odom

# 摄像头

实现功能
- 视觉巡线
- 物体识别
- 3D 建图
- 颜色跟踪
lsusb 查看摄像头
0502：rgb 摄像头
0403：深度摄像头
开启摄像头
rgb 摄像头： roslaunch usb_cam usb_cam-test.launch
深度摄像头： roslaunch astra_camera astra.launch
都打开： roslaunch astra_camera astrapro.launch

# 色块跟踪

根据要跟踪色块颜色，在 visualTracker.launch 更改，shv 格式
运行 roalaunch simple_follower visual_follower.launch
远程登陆查看话题 rostpic list
rostopic echo /.......

# 视觉巡线

roslaunch simple_follower line_follower.launch

# 3D 建图导航

安装 rtabmap
sudo apt-get update (更新软件列表)
sudo apt-get install ros-noetic-rtabmap-ros （安装 rtabmap）
跑官方测试包（可选，远程端）
roslaunch rtabmap_ros demo_robot_mapping.launch rviz:=true rtabmapviz:=false （官方测试例程）
rosbag play --clock demo_mapping.bag （官方测试包，在 /home/wheeltec/ 的路径下执行）
建图
roslaunch turn_on_wheeltec_robot 3d_mapping.launch （启动 3d 建图）
roslaunch wheeltec_robot_rc keyboard_teleop.launch （启动键盘控制节点）
导航
roslaunch turn_on_wheeltec_robot 3d_navigation.launch （启动 3d 导航）

# 纯视觉见图导航

建图：

roslaunch turn_on_wheeltec_robot pure3d_mapping.launch

导航：

roslaunch turn_on_wheeltec_robot pure3d_navigation.launch

# KCF 跟踪

roslaunch kcf_tracker.launch

# 自主建图

roslaunch turn_on_wheeltec_robot rrt_slam.launch

# TF 坐标

# ros 坐标管理系统

# TF 坐标的基本概念

TF 树：rqt 可视化工具插件，查看所有 tf 坐标之间的链接关系
安装 rqt：
- sudo apt-get install ros-%YOUR_ROS_DISTRO%-rqt ros-%YOUR_ROS_DISTRO%-rqt-common-plugins
- sudo apt-get install ros-%YOUR_ROS_DISTRO%-rqt-robot-plugins
- sudo apt-get install ros-%YOUR_ROS_DISTRO%-rqt-pr2-dashboard (only when you need PR2 dashboard feature)
- sudo apt-get update
- sudo apt-get dist-upgrade
TF 的 brosdcsster：两个坐标的索引关系
TF 的 frame_id
TF 的基坐标：如 map
TF 的消息数据类型

# AR 标签识别

roslaunch turn_on_wheeltec_robot ar_label.launch

生成 ar 标签

相应功能包下 rosrun ar_track_alvar createMarker -s 5 0

	<joint name="1_joint">
	</joint>

# 机器人仿真

# 目标

# 工具介绍

# URDF 语法

# robot

# link

# joint

# URDF 与 Rviz 初步配置

# xacro

# URDF 与 Gazebo 学习

# 构造机器人模型 (仅在电脑上实现运行)

# 机器人运动控制

# Arbotix

# 实现流程

# gazebo 下流程

# a1 激光雷达

# chmod：

# NFS 详解

# ssh 通信

# 连接准备

# 连接

# 删除冲突 IP

# 连接控制 mini 小车（18.04 密码：raspberry，使用 wheeltec 系列小车）

# 启动雷达

# 控制小车雷达建图

# 建图算法切换

# 雷达跟随

# SublimeText

# 源

# 自主导航

# 摄像头

# 色块跟踪

# 视觉巡线

# 3D 建图导航

# 纯视觉见图导航

# KCF 跟踪

# 自主建图

# TF 坐标

# ros 坐标管理系统

# TF 坐标的基本概念

# AR 标签识别

Ubuntu安装教程

博客搭建教程