使用机器人操作系统ROS 2和仿真软件Gazebo 9搭建机器人教程（一）
参考链接：https://github.com/bunchofcoders/basic_bocbot
本文为使用ROS 2和Gazebo9搭建仿真机器人详细指南。
确保已按如下说明安装ROS和Gazebo：
- ROS 2安装。 二进制软件包的安装足以满足该项目的需求，但是如果感兴趣，还可以选择从源代码搭建。Dashing或Eloquent均可。
- Gazebo安装。推荐9+以上版本。
尽管此项目基于Ubuntu 18.04说明，但如果是其他安装了ROS 2和Gazebo 9的系统，这些说明同样适用，比如Windows 10、Mac OS等，同时通过学习和实践，将会了解到它们的API、命令和过程大致相同。
本文假定已经具备以下基础：
- 具有C++和Python编程基础知识的开发人员，或者
- 已经知道ROS 1并期望转移到ROS 2开发，可以直接跳到下面的机器人。
目录
介绍
为什么要学习机器人技术？
机器人应用已经越来越普遍。除了在制造过程中很常见之外，近年来，儿童玩具、智能吸尘器、自动驾驶汽车、无人驾驶飞机等不胜枚举。这些只是几个例子，将来还会有更多例子。不感兴趣，不愿学习，没关系，它们一样会进入到你的生活中，无处不在……
怎么学呢？
在搭建实际的机器人之前，可能需要先使用模拟器来测试新想法。对模拟机器人满意之后，就可以继续搭建实际的机器人了。
ROS提供了搭建机器人各种组件并在它们之间建立安全通信的框架，Gazebo提供了仿真工具，可以使用实际场景测试算法和机器人设计。
本文能学到什么？
学习如何将ROS2和Gazebo9组合在一起，创建具有四轮（差动模型）、摄像头和激光扫描传感器的机器人，并在模拟的环境中测试其操作。
先熟悉一些基本概念。
基础
机器人
无论要搭建哪种类型的机器人，机器人都需要执行感知、决策和行动的三个步骤，属于输入-控制-输出这类结构。
- 感知
就像我们人类通过眼睛、耳朵、鼻子和触摸感知或感知周围的环境一样，机器人使用一个或多个传感器感知周围的环境。可能已经知道的一些传感器如雷达、激光扫描、照相机、激光雷达、温度传感器、声纳、化学检测传感器等。
- 决策
根据来自传感器的输入和机器人的当前状态，机器人可以执行一些决策。决策可以简单地回答是或否的天气问题，也可以简单地在不同星球上未知地形的路径上行驶。
- 行动
机器人可以根据使用输入做出的决定执行各种动作。例如，从一个地方移动到另一个地方，移动机器人手臂等各种部件，将消息发送到另一机器人，加快、减速、停止等。
本文中将了解ROS2如何提供执行这三个基本过程的框架。
ROS
机器人操作系统不是如Linux或Windows那样的操作系统，而是一个位于操作系统之上的框架，可为开发和运行机器人的各种组件提供便利。
就像Microsoft基础类（MFC）是用于Windows中C++开发和运行桌面应用程序的框架一样，ASP.Net也是用于开发和运行网站的框架。同样，ROS是一个框架，并提供使用C++和Python等开发和运行机器人的工具和库。
ROS 2是ROS 1的下一个版本。大多数概念在ROS 2中仍然相同，与ROS 1保持一致，但是各个组件之间的设计和通信有了显着改进。ROS 2使用DDS。
学习ROS 1会有所帮助，但不是必需的。由于一些概念文档仍在ROS 1维基中。如下是一些了解ROS的有用链接。
Gazebo
Gazebo是ROS使用最广泛的模拟器。在线上有许多非常好的教程。如下是一些入门指南。
- 教程：http://gazebosim.org/tutorials
- ROS：https://subscription.packtpub.com/book/hardware_and_creative/9781783554713/1/ch01lvl1sec11/simulators-of-ros
假设现在已经熟悉ROS和Gazebo，那么将它们融合应用。
机器人
目标是根据从传感器收集的输入执行一些操作（驱动机器人）。将按照以下步骤进行操作。
1 在Gazebo模拟器中搭建简单的室内环境（请参见下图）
2 搭建机器人（mobot）
- 底盘（蓝色）
- 4个轮子（灰色）
- 相机（红色）
- 激光雷达（黑色）
3 编写C++节点处理相机和激光雷达扫描输入
4 编写C++节点将命令发送到轮子以驱动机器人
机器人
世界环境 （室内）
设置：
具体步骤如下。
打开一个新的终端并更新ROS 2安装配置，这样ROS2命令可以使用。
relaybot@TPS2:~$ source /opt/ros/dashing/setup.bash
relaybot@TPS2:~$ echo $ROS_DISTRO
dashing
创建工作区
relaybot@TPS2:~$ mkdir -p mobot/src
relaybot@TPS2:~$ cd mobot/src/
1.在Gazebo模拟器中搭建室内环境
创建mobot包
relaybot@TPS2:~/mobot/src$ ros2 pkg create --build-type ament_cmake mobot
going to create a new package
package name: mobot
destination directory: /home/relaybot/mobot/src
package format: 3
version: 0.0.0
description: TODO: Package description
maintainer: ['relaybot <zhangrelay@sohu.com>']
licenses: ['TODO: License declaration']
build type: ament_cmake
dependencies: []
creating folder ./mobot
creating ./mobot/package.xml
creating source and include folder
creating folder ./mobot/src
creating folder ./mobot/include/mobot
creating ./mobot/CMakeLists.txt
relaybot@TPS2:~/mobot/src$ cd mobot/
relaybot@TPS2:~/mobot/src/mobot$
为室内环境的world文件新建文件夹：
relaybot@TPS2:~/mobot/src/mobot$ mkdir worlds
relaybot@TPS2:~/mobot/src/mobot$ cd worlds/
relaybot@TPS2:~/mobot/src/mobot/worlds$ gedit mobot_room.world
Gazebo中的世界文件包含模拟环境中的所有对象。这些对象是机器人模型、环境、照明、传感器和其他对象等。
Gazebo使用SDF xml文件格式来保存模拟配置。世界文件通常具有.world扩展名。
mobot_room.world代码（补充）:
此时，运行如下命令在Gazebo中启动世界环境：
relaybot@TPS2:~/mobot/src/mobot/worlds$ gazebo mobot_room.world
另外，可以按照以下教程创建自定义世界环境。
请确保在世界环境的文件保存为mobot_room.world在mobot/src/mobot/worlds文件中。
2.搭建机器人
现在，已熟悉用来描述仿真对象的SDF文件。ROS使用通用机器人描述格式（URDF）对机器人进行建模，该机器人在xml中描述了各种动态和运动学特性。可以点击此处了解更多信息简单的URDF如下：
-
<?xml version="1.0"?>
-
-
<robot name="two_link_robot">
-
-
<!--Links-->
-
-
-
-
<link name="link_1">
-
-
<visual>
-
-
<geometry>
-
-
<cylinder length="0.5" radius="0.2"/>
-
-
</geometry>
-
-
</visual>
-
-
</link>
-
-
-
-
<link name="link_2">
-
-
<visual>
-
-
<geometry>
-
-
<box size="0.6 0.1 0.2"/>
-
-
</geometry>
-
-
</visual>
-
-
</link>
-
-
-
-
<!--Joints-->
-
-
<joint name="joint_1" type="continuous">
-
-
<parent link="link_1"/>
-
-
<child link="link_2"/>
-
-
</joint>
-
-
</robot>
在URDF中定义各种机器人元素时，功能很丰富。为了单独管理各种xacro组件并重用它们，ROS提供了一个名为（XML Macro）的程序包，可以将不同的URDF文件组合到一个文件中。它还提供了模板工具来定义这些文件中的变量。使用.xacro扩展名保存这些文件。可以点击此处了解有关XACRO的更多信息。
创建两个xacro文件，一个用于描述机器人，另一个用于描述在下面简要说明的Gazebo插件，用于在仿真中进行交互。
为使Gazebo插件正常工作，请确保已安装以下ROS 2软件包。
gazebo_dev
gazebo_msgs
gazebo_plugins
gazebo_ros
gazebo_ros_pkgs
可以通过运行以下命令进行检查：
$ ros2 pkg list
与Gazebo接口的ROS 2软件包集包含在名为gazebo_ros_pkgs的元软件包中。
注意：所有ROS功能包都使用如下形式ros-<distro>-<package-name>，ros-发行版-功能包名
3.Gazebo插件
插件是一段代码，被编译为共享库并插入到仿真中。该插件可通过标准C++类直接访问Gazebo的所有功能。
插件很有用，因为它们具有如下功能：
- 让开发人员控制Gazebo的几乎任何方面
- 是易于共享的独立例程
- 可以从正在运行的系统中插入和删除
除了使用自定义插件，也可以使用gazebo_ros_pkgs提供的现有插件。具体使用如下：
滑行转向差动驱动控制器可实现移动机器人控制，由libgazebo_ros_diff_drive.so提供，详情请点击此处。
相机控制器可读取相机在模拟中捕获的图像，由libgazebo_ros_camera.so提供，此处点击有更多详细信息。
激光雷达控制器从读取激光扫描仪中的点云数据，由libgazebo_ros_ray_sensor.so提供，此处点击有更多详细信息。
在/opt/ros/dashing/lib目录中找到这些库。
在mobot.gazebo文件中定义这些控制器所需的各种属性。
为urdf文件创建目录。
$ cd ~/mobot/src/mobot
$ mkdir urdf
$ cd urdf
$ gedit mobot.gazebo
将以下代码粘贴到mobot.gazebo文件
mobot.gazebo代码补充：
现在，在mobot.urdf.xacro文件中定义机器人描述。
$ cd urdf
$ gedit mobot.urdf.xacro
将以下代码粘贴到mobot.urdf.xacro文件。
mobot.urdf.xacro代码补充：
- mobot模型-ROS2Gazebo9附2
Xacro代码说明：
在mobot.urdf.xacro文件中
- 创建链接robot_footprint，chassis，front_left_wheel，front_right_wheel，back_left_wheel，back_right_wheel，camera和hokuyo激光传感器
- 通过指定以下关节将它们连接在一起，robot_footprint_joint连接chassis和robot_footprint。轮子通过front_left_wheel_joint连接到chassis，front_right_wheel_joint，back_left_wheel_joint，back_right_wheel_joint。camera和hokuyo分别由camera_joint与hokuyo_joint连接到chassis
- 通过xacro使用行引用的文件中，<xacro:include filename="mobot.gazebo"/>导入了mobot.gazebo文件，在其中指定了插件的配置。
- 指定libgazebo_ros_diff_drive.so控制器配置机器人运动，它们的轮距和直径，扭矩产生的时间和频率发布等，里程计通过/odom更新。还指定/cmd_vel订阅速度命令的主题。
- 同样，对于libgazebo_ros_camera.so插件配置，指定了相机属性，并重新映射了由插件发布的原始主题，发布RGB图像，发布/mobot/camera/image，相机的信息发布/mobot/camera/image/camera_info。
- 配置libgazebo_ros_ray_sensor.so为使用hokuyo激光传感器发布数据/mobot/scan。如果未指定名称空间，<namespace>/mobot</namespace>则数据将在/scan主题中发布。以上插件都是如此。
此时，~\mobot_ws\src\mobot目录应如下所示：
relaybot@TPS2:~/mobot/src/mobot$ tree
.
├── CMakeLists.txt
├── include
│ └── mobot
├── package.xml
├── src
├── urdf
│ ├── mobot.gazebo
│ └── mobot.urdf.xacro
└── worlds
└── mobot_room.world
5 directories, 5 files
在colcon编译过程中调用xacro
需要配置编译过程调用xacro工具，从mobot.urdf.xacro和mobot.gazebo文件生成urdf文件。为此，需要编辑CMakeLists.txt文件以指定依赖项。
-
# Generate .urdf files from .urdf.xacro files
-
# 从.urdf.xacro文件生成.urdf文件
-
find_package(xacro REQUIRED)
-
# Xacro files Xacro文件
-
file(GLOB xacro_files urdf/*.urdf.xacro)
-
-
foreach(it ${xacro_files})
-
# remove .xacro extension 删除.xacro扩展
-
string(REGEX MATCH "(.*)[.]xacro$" unused ${it})
-
set(output_filename ${CMAKE_MATCH_1})
-
-
# create a rule to generate ${output_filename} from {it} 从{it}创建一条${output_filename}规则
-
-
xacro_add_xacro_file(${it} ${output_filename})
-
-
list(APPEND urdf_files ${output_filename})
-
endforeach(it)
-
-
# add an abstract target to actually trigger the builds 添加一个抽象目标实际触发编译
-
add_custom_target(media_files ALL DEPENDS ${urdf_files})
此外，需要配置编译过程安装urdf、worlds和meshes目录到install文件夹中。因为所有的软件包都将有ROS环境中的安装目录提供，所以在编译软件包时创建该目录。在CMakeLists.txt中添加以下。
-
install(DIRECTORY worlds
-
DESTINATION share/${PROJECT_NAME})
-
-
install(DIRECTORY urdf
-
DESTINATION share/${PROJECT_NAME})
-
-
#install(DIRECTORY meshes
-
# DESTINATION share/${PROJECT_NAME})
可以从下面复制整个CMakeLists.txt
CMakeLists.txt代码补充：
此时，可以编译程序包啦！开启新终端，请确保更新为ros环境。
$ source /opt/ros/dashing/setup.bash
$ cd ~/mobot
$ colcon build
Starting >>> mobot
Finished <<< mobot [1.08s]
Summary: 1 package finished [1.15s]
$
配置mobot.urdf文件urdf在编译后在目录中生成。
要在Gazebo中看到机器人，需要创建启动（launch）文件夹和启动文件。可以在此处了解ROS 2中的启动系统。
$ cd ~/mobot/src/mobot
$ mkdir launch
$ cd launch
$ gedit world.launch.py
在启动文件中，将做两件事。
- 使用预定义的设置和启动Gazebo mobot_room.world
- 调用gazebo提供的spawn_entity服务以生成mobot.urdf在世界上定义的机器人。
将以下代码粘贴到world.launch.py中。
world.launch.py代码补充：
在CMakeLists.txt添加以下代码实现编译后安装到启动文件夹。
-
install(DIRECTORY launch
-
-
DESTINATION share/${PROJECT_NAME})
此部分已经在附3中，添加完成了。
最终~\mobot\src目录结构应如下所示：
relaybot@TPS2:~/mobot/src/mobot$ tree
.
├── CMakeLists.txt
├── include
│ └── mobot
├── launch
│ └── world.launch.py
├── package.xml
├── src
├── urdf
│ ├── mobot.gazebo
│ ├── mobot.urdf
│ └── mobot.urdf.xacro
└── worlds
└── mobot_room.world
编译并启动：
$ cd ~/mobot
$ colcon build
在启动mobot之前，必须更新bash文件。mobot工作区bash文件将程序包mobot添加到现有ros环境中，使它可使用各种ros2命令，就像其他ros程序包一样。
$ source install/setup.bash
$ ros2 launch mobot world.launch.py
注意：可以使用Tab键完成补全所有ros2命令，在键入ros2后，按Tab键查看可用选项。
应该看到如下图所示的机器人和世界环境。恭喜！此时已经成功在ROS2和Gazebo9搭建了第一个仿真机器人。下一节将学习ROS2各种命令。
文章来源: zhangrelay.blog.csdn.net，作者：zhangrelay，版权归原作者所有，如需转载，请联系作者。
原文链接：zhangrelay.blog.csdn.net/article/details/104280931
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