阿克曼结构移动机器人的gazebo仿真（四）

第四章、手撸阿克曼小车URDF代码

0.前言

上节说道通过twist消息控制从solidworks导出的阿克曼小车，但后续的开发工作中发现了从SW导出的模型做仿真有一些弊端，导致仿真的效果并不理想，所以博主准备手写一个urdf代码，并通过模型替代法来实现tianracer的仿真，本次写的urdf文件是基于tianracer小车1：1比例来编写的，方便后续的模型替换工作。

1.创建小车功能包

在工作空间内创建racebot_description功能包

catkin_create_pkg racebot_description roscpp rospy std_msgs

在该工作空间下创建config、launch、rviz_config、scripts、urdf等文件夹，此时准备工作已经做完。

2.配置创建环境

我们需要创建一个URDF文件与能让模型在rviz中显示的launch文件，方便我们创造模型。以创建小车base_link模型为例：

在urdf文件夹中创建racebot.urdf文件，首先创建base_link，由于根link不能包含碰撞属性，否则gazebo仿真中会报错，所以我们将base_footprint作为根link，并且将base_footprint设置为小车贴到地面的位置，由于该小车是1:1仿真tianracer的，所以base_link在base_footprint正上方32mm处，如下代码所示：

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>

<robot name="racebot">

    <link name="base_footprint">
    </link>

    <link name="base_link">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.28 0.1 0.03"/>
            
            </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>
        <collision>
            <geometry>
                <box size="0.28 0.1 0.03" />
            </geometry>
            <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" />
        </collision>

    </link>

    <joint name="base_link_joint" type="fixed">
        <parent link="base_footprint" />
        <child link="base_link"/>
        <origin xyz="0 0 0.032" rpy="0 0 0" />
    </joint>
</robot>

接着在launch文件夹中创建一个可以将小车模型在rviz中显示的launch文件racebot_rviz.launch，并且能够加载上述urdf文件：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<launch>
    <!-- 将 urdf 文件内容设置进参数服务器 -->
    <param name="robot_description" textfile="$(find racebot_description)/urdf/racebot.urdf" />

    <!-- 启动 rivz -->
    <!-- <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz_test" args="-d $(find racebot_description)/config/racebot.rviz" /> -->
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="" /> 

    <!-- 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>

此时我们运行该launch文件：

roslaunch racebot_description racebot_rviz.launch

添加RobotModel插件，并将fixed frame改为base_footprint，此时我们便能在rviz中看到一个漂浮在空中的橙色方块，此为小车模型的base_link:

请添加图片描述

点击FILE–save config as选择racebot_description/rviz_config路径保存为racecar.rviz，并在launch中启动rviz节点时加载该配置文件，以便后续的开发。

3.添加前轮摆转以及前后轮

添加左前轮以及左前轮摆转

在阿克曼仿真第一节的时候了解到要使前轮转向，以左前轮为例，需要给左前轮加一个绕Z轴转动的自由度，因此需要添加一个能够摆转的link，将其命名为steering_hinge，前轮通过与其连接能够实现绕Z轴转动，joint_type设置为revolute，转动幅度设置为-0.6rad–0.6rad，effort与velocity分别设置为50，1000以方便后续控制。

<link name="left_steering_hinge">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.01" length="0.005" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="1.57 0 0" />
            <material name="black">
                <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
            </material>
        </visual>
        <collision>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.01" length="0.005" />
            </geometry>
            <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="1.57 0.0 0.0" />
        </collision>
        <inertial>
            <origin xyz="0 0 0" />
            <mass value="0.5" />
            <inertia ixx="1.35E-05" ixy="0" ixz="0" iyy="1.35E-05" iyz="0" izz="2.5E-05" />
        </inertial>
    </link>


    <joint name="left_steering_hinge_joint" type="revolute">
        <parent link="base_link" />
        <child link="left_steering_hinge" />
        <origin xyz="0.13 0.065 0" />
        <axis xyz="0 0 1" />
        <limit lower="-0.6" upper="0.6" effort="5.0" velocity="1000.0"/>
    </joint>



    <link name="left_front_wheel">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.033" length="0.02" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="1.57 0 0" />
            <material name="black">
                <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
            </material>
        </visual>
        <collision>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.032" length="0.02" />
            </geometry>
            <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="1.57 0.0 0.0" />
        </collision>
        <inertial>
            <origin xyz="0 0 0" />
            <mass value="2.0" />
            <inertia ixx="6.64E-04" ixy="0" ixz="0" iyy="6.64E-04" iyz="0" izz="1.02E-03" />
        </inertial>
    </link>
    
    <joint name="left_front_wheel_joint" type="continuous">
        <parent link="left_steering_hinge" />
        <child link="left_front_wheel" />
        <origin xyz="0 0.025 0" />
        <axis xyz="0 1 0" />
        <limit effort="10" velocity="1000" />
    </joint>

左前轮配置好了以后，右前轮同理，值得注意的是需要修改joint标签内的origin标签，可以大致理解为左前轮在第一象限，右前轮为第四象限，X轴正方向为小车的前进方向。在配置URDF的时候，若仅仅是想要在RVIZ中观察编写的模型情况，可以在link标签中，先不需要编写collision标签，编写collision时需要计算该link的惯性矩阵参数，会较为繁琐，可以在确定模型装配情况后最后编写collision标签。计算惯性矩阵的方法如下：

关于URDF中的惯性矩阵描述问题

配置后轮

前轮配置完成后，配置后轮，以左后轮为例，代码如下，右后轮同理：

    <link name="left_rear_wheel">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.032" length="0.02" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="1.57 0 0" />
            <material name="black">
                <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
            </material>
        </visual>
        <collision>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.032" length="0.02" />
            </geometry>
            <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="1.57 0.0 0.0" />
        </collision>
        <inertial>
            <origin xyz="0 0 0" />
            <mass value="2.0" />
            <inertia ixx="6.64E-04" ixy="0" ixz="0" iyy="6.64E-04" iyz="0" izz="1.02E-03" />
        </inertial>
    </link>

    <joint name="left_rear_wheel_joint" type="continuous">
        <parent link="base_link" />
        <child link="left_rear_wheel" />
        <origin xyz="-0.13 0.09 0" />
        <axis xyz="0 1 0" />
        <limit effort="10" velocity="1000" />
    </joint>

3.配置传感器

tianracer小车共有三样传感器，分别为单目相机，深度相机以及激光雷达，当然可以加入imu模块以作后备，这些link的装配都是相对固定的，因此惯性参数对其无太大影响，可以取一个大致值：

配置单目相机：

    <link name="camera">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.005 0.03 0.03"/>
            </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>
        <collision>
            <geometry>
                <box size="0.005 0.03 0.03"/>
            </geometry>
            <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" />
        </collision>
        <inertial>
            <origin xyz="0 0 0" />
            <mass value="0.05" />
            <inertia ixx="6.64E-04" ixy="0" ixz="0" iyy="6.64E-04" iyz="0" izz="1.02E-03" />
        </inertial>
    </link>

    <joint name="camera_joint" type="fixed">
        <parent link="base_link" />
        <child link="camera" />
        <origin xyz="0.14851 0.0022137 0.0975" />
        <axis xyz="0 0 1" />
    </joint>

配置深度相机：

    <link name="real_sense">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.01 0.1 0.02"/>
            </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>
        <collision>
            <geometry>
                <box size="0.01 0.1 0.02"/>
            </geometry>
            <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" />
        </collision>
        <inertial>
            <origin xyz="0 0 0" />
            <mass value="0.05" />
            <inertia ixx="6.64E-04" ixy="0" ixz="0" iyy="6.64E-04" iyz="0" izz="1.02E-03" />
        </inertial>
    </link>

    <joint name="realsense_joint" type="fixed">
        <parent link="base_link" />
        <child link="real_sense" />
        <origin xyz="0.19864 0.0038046 0.052021" />
        <axis xyz="0 0 1" />
    </joint>

配置单线激光雷达：

    <link name="lidar">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.03" length="0.06" />
            </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>
        <collision>
            <geometry>
                <cylinder radius="0.03" length="0.06" />
            </geometry>
            <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" />
        </collision>
        <inertial>
            <origin xyz="0 0 0" />
            <mass value="0.1" />
            <inertia ixx="6.64E-04" ixy="0" ixz="0" iyy="6.64E-04" iyz="0" izz="1.02E-03" />
        </inertial>
    </link>

    <joint name="lidar_joint" type="fixed">
        <parent link="base_link" />
        <child link="lidar" />
        <origin xyz="0.093603 0 0.12377" />
        <axis xyz="0 0 1" />
    </joint>

配置imu模块：

    <link name="imu">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="0.01 0.01 0.005"/>
            </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>
        <collision>
            <geometry>
                <box size="0.01 0.01 0.005"/>
            </geometry>
            <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" />
        </collision>
        <inertial>
            <origin xyz="0 0 0" />
            <mass value="0.05" />
            <inertia ixx="6.64E-04" ixy="0" ixz="0" iyy="6.64E-04" iyz="0" izz="1.02E-03" />
        </inertial>
    </link>

    <joint name="imu_joint" type="fixed">
        <parent link="base_link" />
        <child link="imu" />
        <origin xyz="0 0 0.02" />
        <axis xyz="0 0 1" />
    </joint>

此时，小车URDF已经配置完成了，可以在rviz中观察模型效果：

请添加图片描述