ROS仿真小车（二）——添加摄像头雷达传感器

文章目录

前言
一、在 Rviz 中显示一个盒状机器人
- 1.1 创建ROS功能包
- 1.2 在 launch 文件中集成 URDF 与 Rviz
- 1.3 在 Rviz 中显示机器人模型
- 1.4 优化 rviz 启动
二、创建一个四轮圆柱状机器人模型
- 2.1 配置urdf和launch文件
- 2.2 URDF优化_xacro
- - 2.2.1 配置xacro文件
  - 2.2.2 编写 Xacro 文件
  - 2.2.3 集成launch文件
- 2.3 添加摄像头和雷达传感器
- - 2.3.1 摄像头和雷达 Xacro 文件实现
  - 2.3.2 组合底盘摄像头与雷达的 xacro 文件
- 2.4 launch 文件
参考

前言

系列文章目录：

ROS仿真小车（一）—— urdf模型+rviz可视化

[ROS仿真小车（二）——添加摄像头雷达传感器]

ROS仿真小车（三）——rviz控制机器人模型运动

ROS仿真小车（四）—— URDF与Gazebo集成

一、在 Rviz 中显示一个盒状机器人

结果演示:
在这里插入图片描述

1.1 创建ROS功能包

找一个空闲地方，新建文件夹catkin_ws01，输入以下命令
在这里插入图片描述

导入依赖，在src目录下输入以下命令：

catkin_create_pkg jubot_demo urdf xacro #创建功能包、添加依赖
cd jubot_demo/
mkdir urdf
mkdir launch
mkdir meshes #存放渲染机器人模型的文件
mkdir config #存放rviz配置的文件

urdf文件夹中添加一个box_urdf.urdf文件,复制如下内容:

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

1.2 在 launch 文件中集成 URDF 与 Rviz

在launch目录下，新建一个 box_launch.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,示例代码如下:

<launch><!-- 设置参数 --><param name="robot_description" textfile="$(find jubot_demo)/urdf/box_urdf.urdf" /><!-- 启动 rviz --><node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" /></launch>

1.3 在 Rviz 中显示机器人模型

同理先进行编译，再配置环境变量，然后启动rviz
在这里插入图片描述

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
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述设置完毕后，可以正常显示了

1.4 优化 rviz 启动

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，将当前配置保存进config目录
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

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>

现在的launch文件如下：

<launch><!-- 设置参数 --><param name="robot_description" textfile="$(find jubot_demo)/urdf/box_urdf.urdf" /><!-- 启动 rviz --><node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" /><param name="robot_description" textfile="$find jubot_demo)/urdf/box_urdf.urdf" /><node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find jubot_demo)/config/rviz/show_mycar.rviz" />
</launch>

再启动时，就可以包含之前的组件配置了，使用更方便快捷。

二、创建一个四轮圆柱状机器人模型

需求描述:
创建一个四轮圆柱状机器人模型，机器人参数如下,底盘为圆柱状，半径 10cm，高 8cm，四轮由两个驱动轮和两个万向支撑轮组成，两个驱动轮半径为 3.25cm,轮胎宽度1.5cm，两个万向轮为球状，半径 0.75cm，底盘离地间距为 1.5cm(与万向轮直径一致)

结果演示:
在这里插入图片描述
实现流程:

创建机器人模型可以分步骤实现
新建 urdf 文件，并与 launch 文件集成
搭建底盘
在底盘上添加两个驱动轮
在底盘上添加两个万向轮

2.1 配置urdf和launch文件

在一的urdf和launch文件基础上进行修改

box_urdf.urdf文件

<!-- <robot name="mycar"><link name="base_link"><visual><geometry><box size="0.5 0.2 0.1" /></geometry></visual></link>
</robot> --><robot name="mycar"><!-- 设置 base_footprint  --><link name="base_footprint"><visual><geometry><sphere radius="0.001" /></geometry></visual></link><!-- 添加底盘 --><!-- 参数形状:圆柱 半径:10     cm 高度:8      cm 离地:1.5    cm--><link name="base_link"><visual><geometry><cylinder radius="0.1" length="0.08" /></geometry><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" /><material name="yellow"><color rgba="0.8 0.3 0.1 0.5" /></material></visual></link><joint name="base_link2base_footprint" type="fixed"><parent link="base_footprint" /><child link="base_link"/><origin xyz="0 0 0.055" /></joint><!-- 添加驱动轮 --><!-- 添加驱动轮 --><!--驱动轮是侧翻的圆柱参数半径: 3.25 cm宽度: 1.5  cm颜色: 黑色关节设置:x = 0y = 底盘的半径 + 轮胎宽度 / 2z = 离地间距 + 底盘长度 / 2 - 轮胎半径 = 1.5 + 4 - 3.25 = 2.25(cm)axis = 0 1 0--><link name="left_wheel"><visual><geometry><cylinder radius="0.0325" length="0.015" /></geometry><origin xyz="0 0 0" rpy="1.5705 0 0" /><material name="black"><color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" /></material></visual></link><joint name="left_wheel2base_link" type="continuous"><parent link="base_link" /><child link="left_wheel" /><origin xyz="0 0.1 -0.0225" /><axis xyz="0 1 0" /></joint><link name="right_wheel"><visual><geometry><cylinder radius="0.0325" length="0.015" /></geometry><origin xyz="0 0 0" rpy="1.5705 0 0" /><material name="black"><color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" /></material></visual></link><joint name="right_wheel2base_link" type="continuous"><parent link="base_link" /><child link="right_wheel" /><origin xyz="0 -0.1 -0.0225" /><axis xyz="0 1 0" /></joint><!-- 添加万向轮(支撑轮) --><!-- 添加万向轮(支撑轮) --><!--参数形状: 球体半径: 0.75 cm颜色: 黑色关节设置:x = 自定义(底盘半径 - 万向轮半径) = 0.1 - 0.0075 = 0.0925(cm)y = 0z = 底盘长度 / 2 + 离地间距 / 2 = 0.08 / 2 + 0.015 / 2 = 0.0475 axis= 1 1 1--><link name="front_wheel"><visual><geometry><sphere radius="0.0075" /></geometry><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" /><material name="black"><color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" /></material></visual></link><joint name="front_wheel2base_link" type="continuous"><parent link="base_link" /><child link="front_wheel" /><origin xyz="0.0925 0 -0.0475" /><axis xyz="1 1 1" /></joint><link name="back_wheel"><visual><geometry><sphere radius="0.0075" /></geometry><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" /><material name="black"><color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" /></material></visual></link><joint name="back_wheel2base_link" type="continuous"><parent link="base_link" /><child link="back_wheel" /><origin xyz="-0.0925 0 -0.0475" /><axis xyz="1 1 1" /></joint>
</robot>

box_launch.launch文件

<launch><!-- 将 urdf 文件内容设置进参数服务器 --><param name="robot_description" textfile="$(find jubot_demo)/urdf/box_urdf.urdf" /><!-- 启动 rviz --><!-- <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" /> --><node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find jubot_demo)/config/rviz/show_four_wheel_car.rviz" /><!-- 启动机器人状态和关节状态发布节点 --><node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" /><node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher" /><!-- 启动图形化的控制关节运动节点 --><node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" /></launch>

然后启动roslaunch，在rviz中显示机器人模型：
在这里插入图片描述

2.2 URDF优化_xacro

前面 URDF 文件构建机器人模型的过程中，存在若干问题。

问题1:在设计关节的位置时，需要按照一定的公式计算，公式是固定的，但是在 URDF 中依赖于人工计算，存在不便，容易计算失误，且当某些参数发生改变时，还需要重新计算。
问题2:URDF 中的部分内容是高度重复的，驱动轮与支撑轮的设计实现，不同轮子只是部分参数不同，形状、颜色、翻转量都是一致的，在实际应用中，构建复杂的机器人模型时，更是易于出现高度重复的设计，按照一般的编程涉及到重复代码应该考虑封装。

如果在编程语言中，可以通过变量结合函数直接解决上述问题，在 ROS 中，已经给出了类似编程的优化方案，称之为:Xacro

概念
Xacro 是 XML Macros 的缩写，Xacro 是一种 XML 宏语言，是可编程的 XML。

原理
Xacro 可以声明变量，可以通过数学运算求解，使用流程控制控制执行顺序，还可以通过类似函数的实现，封装固定的逻辑，将逻辑中需要的可变的数据以参数的方式暴露出去，从而提高代码复用率以及程序的安全性。

作用
较之于纯粹的 URDF 实现，可以编写更安全、精简、易读性更强的机器人模型文件，且可以提高编写效率。

2.2.1 配置xacro文件

在urdf文件夹下新建一个xacro文件夹，在文件夹中新建my_base.urdf.xacro文件
在这里插入图片描述

2.2.2 编写 Xacro 文件

<!--使用 xacro 优化 URDF 版的小车底盘实现：实现思路:1.将一些常量、变量封装为 xacro:property比如:PI 值、小车底盘半径、离地间距、车轮半径、宽度 ....2.使用 宏 封装驱动轮以及支撑轮实现，调用相关宏生成驱动轮与支撑轮-->
<!-- 根标签，必须声明 xmlns:xacro -->
<robot name="my_base" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro"><!-- 封装变量、常量 --><xacro:property name="PI" value="3.141"/><!-- 宏:黑色设置 --><material name="black"><color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" /></material><!-- 底盘属性 --><xacro:property name="base_footprint_radius" value="0.001" /> <!-- base_footprint 半径  --><xacro:property name="base_link_radius" value="0.1" /> <!-- base_link 半径 --><xacro:property name="base_link_length" value="0.08" /> <!-- base_link 长 --><xacro:property name="earth_space" value="0.015" /> <!-- 离地间距 --><!-- 底盘 --><link name="base_footprint"><visual><geometry><sphere radius="${base_footprint_radius}" /></geometry></visual></link><link name="base_link"><visual><geometry><cylinder radius="${base_link_radius}" length="${base_link_length}" /></geometry><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" /><material name="yellow"><color rgba="0.5 0.3 0.0 0.5" /></material></visual></link><joint name="base_link2base_footprint" type="fixed"><parent link="base_footprint" /><child link="base_link" /><origin xyz="0 0 ${earth_space + base_link_length / 2 }" /></joint><!-- 驱动轮 --><!-- 驱动轮属性 --><xacro:property name="wheel_radius" value="0.0325" /><!-- 半径 --><xacro:property name="wheel_length" value="0.015" /><!-- 宽度 --><!-- 驱动轮宏实现 --><xacro:macro name="add_wheels" params="name flag"><link name="${name}_wheel"><visual><geometry><cylinder radius="${wheel_radius}" length="${wheel_length}" /></geometry><origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="${PI / 2} 0.0 0.0" /><material name="black" /></visual></link><joint name="${name}_wheel2base_link" type="continuous"><parent link="base_link" /><child link="${name}_wheel" /><origin xyz="0 ${flag * base_link_radius} ${-(earth_space + base_link_length / 2 - wheel_radius) }" /><axis xyz="0 1 0" /></joint></xacro:macro><xacro:add_wheels name="left" flag="1" /><xacro:add_wheels name="right" flag="-1" /><!-- 支撑轮 --><!-- 支撑轮属性 --><xacro:property name="support_wheel_radius" value="0.0075" /> <!-- 支撑轮半径 --><!-- 支撑轮宏 --><xacro:macro name="add_support_wheel" params="name flag" ><link name="${name}_wheel"><visual><geometry><sphere radius="${support_wheel_radius}" /></geometry><origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" /><material name="black" /></visual></link><joint name="${name}_wheel2base_link" type="continuous"><parent link="base_link" /><child link="${name}_wheel" /><origin xyz="${flag * (base_link_radius - support_wheel_radius)} 0 ${-(base_link_length / 2 + earth_space / 2)}" /><axis xyz="1 1 1" /></joint></xacro:macro><xacro:add_support_wheel name="front" flag="1" /><xacro:add_support_wheel name="back" flag="-1" /></robot>

2.2.3 集成launch文件

在 launch 文件中直接加载 xacro

box_launch.launch 内容示例:

<launch><!-- 将 urdf 文件内容设置进参数服务器 --><!-- <param name="robot_description" textfile="$(find jubot_demo)/urdf/box_urdf.urdf" /> --><!-- 使用xacro优化urdf文件 --><param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro $(find jubot_demo)/urdf/xacro/my_base.urdf.xacro" /><!-- 启动 rviz --><!-- <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" /> --><node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find jubot_demo)/config/rviz/show_four_wheel_car.rviz" /><!-- 启动机器人状态和关节状态发布节点 --><node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" /><node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher" /><!-- 启动图形化的控制关节运动节点 --><node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" /></launch>

核心代码:

<!-- 使用xacro优化urdf文件 --><param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro $(find jubot_demo)/urdf/xacro/my_base.urdf.xacro" />

加载robot_description时使用command属性，属性值就是调用 xacro 功能包的 xacro 程序直接解析 xacro 文件。

重新启动launch，正常显示小车，说明配置成功
在这里插入图片描述

2.3 添加摄像头和雷达传感器

结果演示：

在这里插入图片描述

实现分析:
机器人模型由多部件组成，可以将不同组件设置进单独文件，最终通过文件包含实现组件的拼装。

实现流程:

1.首先编写摄像头和雷达的 xacro 文件
2.然后再编写一个组合文件，组合底盘、摄像头与雷达
3.最后，通过 launch 文件启动 Rviz 并显示模型

2.3.1 摄像头和雷达 Xacro 文件实现

在这里插入图片描述

摄像头my_camera.urdf.xacro 文件:

<!-- 摄像头相关的 xacro 文件 -->
<robot name="my_camera" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro"><!-- 摄像头属性 --><xacro:property name="camera_length" value="0.01" /> <!-- 摄像头长度(x) --><xacro:property name="camera_width" value="0.025" /> <!-- 摄像头宽度(y) --><xacro:property name="camera_height" value="0.025" /> <!-- 摄像头高度(z) --><xacro:property name="camera_x" value="0.08" /> <!-- 摄像头安装的x坐标 --><xacro:property name="camera_y" value="0.0" /> <!-- 摄像头安装的y坐标 --><xacro:property name="camera_z" value="${base_link_length / 2 + camera_height / 2}" /> <!-- 摄像头安装的z坐标:底盘高度 / 2 + 摄像头高度 / 2  --><!-- 摄像头关节以及link --><link name="camera"><visual><geometry><box size="${camera_length} ${camera_width} ${camera_height}" /></geometry><origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" /><material name="black" /></visual></link><joint name="camera2base_link" type="fixed"><parent link="base_link" /><child link="camera" /><origin xyz="${camera_x} ${camera_y} ${camera_z}" /></joint>
</robot>

雷达 my_laser.urdf.xacro文件:

<!--小车底盘添加雷达
-->
<robot name="my_laser" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro"><!-- 雷达支架 --><xacro:property name="support_length" value="0.15" /> <!-- 支架长度 --><xacro:property name="support_radius" value="0.01" /> <!-- 支架半径 --><xacro:property name="support_x" value="0.0" /> <!-- 支架安装的x坐标 --><xacro:property name="support_y" value="0.0" /> <!-- 支架安装的y坐标 --><xacro:property name="support_z" value="${base_link_length / 2 + support_length / 2}" /> <!-- 支架安装的z坐标:底盘高度 / 2 + 支架高度 / 2  --><link name="support"><visual><geometry><cylinder radius="${support_radius}" length="${support_length}" /></geometry><origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" /><material name="red"><color rgba="0.8 0.2 0.0 0.8" /></material></visual></link><joint name="support2base_link" type="fixed"><parent link="base_link" /><child link="support" /><origin xyz="${support_x} ${support_y} ${support_z}" /></joint><!-- 雷达属性 --><xacro:property name="laser_length" value="0.05" /> <!-- 雷达长度 --><xacro:property name="laser_radius" value="0.03" /> <!-- 雷达半径 --><xacro:property name="laser_x" value="0.0" /> <!-- 雷达安装的x坐标 --><xacro:property name="laser_y" value="0.0" /> <!-- 雷达安装的y坐标 --><xacro:property name="laser_z" value="${support_length / 2 + laser_length / 2}" /> <!-- 雷达安装的z坐标:支架高度 / 2 + 雷达高度 / 2  --><!-- 雷达关节以及link --><link name="laser"><visual><geometry><cylinder radius="${laser_radius}" length="${laser_length}" /></geometry><origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" /><material name="black" /></visual></link><joint name="laser2support" type="fixed"><parent link="support" /><child link="laser" /><origin xyz="${laser_x} ${laser_y} ${laser_z}" /></joint>
</robot>

2.3.2 组合底盘摄像头与雷达的 xacro 文件

my_car_camera.urdf.xacro文件

<!-- 组合小车底盘与摄像头与雷达 -->
<robot name="my_car_camera" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro"><xacro:include filename="my_base.urdf.xacro" /><xacro:include filename="my_camera.urdf.xacro" /><xacro:include filename="my_laser.urdf.xacro" />
</robot>

2.4 launch 文件

<launch><!-- 将 urdf 文件内容设置进参数服务器 --><!-- <param name="robot_description" textfile="$(find jubot_demo)/urdf/box_urdf.urdf" /> --><!-- 使用xacro优化urdf文件 --><!-- <param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro $(find jubot_demo)/urdf/xacro/my_base.urdf.xacro" /> --><param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro $(find jubot_demo)/urdf/xacro/my_car_camera.urdf.xacro" /><!-- 启动 rviz --><!-- <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" /> --><node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find jubot_demo)/config/rviz/show_four_wheel_car.rviz" /><!-- 启动机器人状态和关节状态发布节点 --><node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" /><node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher" /><!-- 启动图形化的控制关节运动节点 --><node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" /></launch>