ROS、OpenAI和Gazebo机器人与人工智能仿真与实践教研杂记（二）环境构建
这篇博文侧重环境，动态和静态，确定与不确定，结构与非结构化等。
如何利用ROS、OpenAI和Gazebo构建一种动态、不确定、非结构化的复杂环境，
用于机器人和人工智能算法的测试呢？
参考链接：
行人模型：
更多内容稍后补充。
参考gazebosim官网文档：http://gazebosim.org
制作动画模特（演员actor）
本教程适用于Gazebo 8+版本（Gazebo 8/9/10均可）
概述
本教程解释了如何使用Gazebo的“actor”来创建脚本动画。
如果希望在模拟仿真中使用预定义路径的实体而不受物理引擎影响，则动画非常有用。这意味着它们不会因重力而下落或与其他物体碰撞。然而，它们将具有可由RGB相机看到的3D可视化，以及可由基于GPU的深度传感器检测的3D网格。
该教程详细解释了如何创建不与模拟其余部分交互的开环轨迹。接下来，将快速浏览一个示例插件，该插件根据环境反馈控制动画。
演员actor
在Gazebo中，动画模型被称为actor。Actors扩展了常见模型，增加了动画功能。
有两种类型的动画可以单独使用或组合使用：
- 骨架动画，是一个模型中链接之间的相对运动
- 沿着轨迹运动，将全世界所有演员的链接作为一个整体
- 两种类型的动作都可以组合起来，以实现在世界中移动的骨架动画
Gazebo的演员就像模特一样 ，所以你可以像往常一样把链接和关节放在里面。主要区别是：
-
演员总是静止的（即没有施加力，无论是重力还是接触或其他任何东西）
-
Actors支持从COLLADA和BVH文件导入的骨架动画。
-
演员可以在SDF中直接编写轨迹。
-
不能有嵌套在actor中的模型，因此我们仅限于动画网格，链接和关节。
提示：在此处查看
<actor>SDF元素 的完整规范。
脚本轨迹
这是演员的高级动画，包括指定在特定时间到达的一系列姿势。Gazebo负责插入它们之间的运动，因此运动是流动的。
示例世界
让我们来看看Gazebo附带的简单示例世界：
gazebo worlds/animated_box.world
你会看到一个浮动的盒子一次又一次地以方形轨迹移动。轨迹经过四点世界，并在它们之间需要1秒。[-1, -1, 1][-1, 1, 1][1, 1,1][1, -1, 1]
代码解析
可以在这里看到整个世界的描述 。按部分来学习一下。
首先定义一个地平面和光源（太阳）的世界。
-
<?xml version="1.0" ?>
-
<sdf version="1.6">
-
<world name="default">
-
<!-- A ground plane -->
-
<include>
-
<uri>model://ground_plane</uri>
-
</include>
-
<!-- A global light source -->
-
<include>
-
<uri>model://sun</uri>
-
</include>
创建了一个名为的actor，animated_box并给它一个带有视觉框的简单链接：
-
<!-- An actor -->
-
<actor name="animated_box">
-
<link name="link">
-
<visual name="visual">
-
<geometry>
-
<box>
-
<size>.2 .2 .2</size>
-
</box>
-
</geometry>
-
</visual>
-
</link>
现在是actor演员，<script>标签特有的部分。首先告诉它永远循环，并在世界加载后立即开始播放。
-
<script>
-
-
-
可以使用以下参数：
-
loop：将此设置为true，以便在循环中重复脚本。对于流体连续运动，确保最后一个航路点与第一个航路点匹配，如下所示。 -
delay_start：这是在启动脚本之前等待的时间（以秒为单位）。如果在循环中运行，则在开始每个循环之前将等待此时间。 -
auto_start：如果动画应在模拟开始播放后立即启动，则设置为true。如果动画只应在插件触发时才开始播放，则将其设置为false很有用。
最后，定义了一系列航点的轨迹（waypoint）：
-
<trajectory id="0" type="square">
-
<waypoint>
-
<time>0.0</time>
-
<pose>-1 -1 1 0 0 0</pose>
-
</waypoint>
-
<waypoint>
-
<time>1.0</time>
-
<pose>-1 1 1 0 0 0</pose>
-
</waypoint>
-
<waypoint>
-
<time>2.0</time>
-
<pose>1 1 1 0 0 0</pose>
-
</waypoint>
-
<waypoint>
-
<time>3.0</time>
-
<pose>1 -1 1 0 0 0</pose>
-
</waypoint>
-
<waypoint>
-
<time>4.0</time>
-
<pose>-1 -1 1 0 0 0</pose>
-
</waypoint>
-
</trajectory>
-
</script>
-
</actor>
-
</world>
-
</sdf>
在<trajectory>标签内，可以描述一系列要遵循的关键帧。它有两个属性：一个是唯一的id和一个type。当在下一节中解释骨架动画时，该类型将非常有用。轨迹参数如下：
-
waypoint：轨迹中可以有任意数量的航点。每个航路点由atime和a组成pose：time：以脚为单位的时间，从脚本开头算起，应该达到姿势。pose：应该达到的姿势
提示：定义航点的顺序并不重要，它们将遵循给定的时间。
注意：轨迹整体平滑。这意味着您将获得流畅的运动，但可能无法达到航路点中包含的确切姿势。
提示：非演员模型也可以遵循脚本轨迹，但这需要使用插件。请参阅本教程以了解具体方法。
现在轮到你实践了！在继续下一部分之前，尝试不同的trejctory描述！
骨架
Gazebo支持两种不同的骨架动画文件格式： COLLADA（.dae）和 Biovision Hierarchy（.bvh）。
尝试一下Gazebo附带的简单示例文件。首先，创建一个新的世界文件：
gedit walk.world
并粘贴以下SDF，它有一个sun和一个使用walk.dae 作为皮肤的 actor：
-
<?xml version="1.0" ?>
-
<sdf version="1.6">
-
<world name="default">
-
<include>
-
<uri>model://sun</uri>
-
</include>
-
<actor name="actor">
-
<skin>
-
<filename>walk.dae</filename>
-
</skin>
-
</actor>
-
</world>
-
</sdf>
在Gazebo看看它，会看到一个人在原地走动。
gazebo walk.world
皮肤
上面示例中的actor非常简单，它加载的所有内容都是<skin>标记中描述的COLLADA文件。
注意：如果之前制作过 自定义 Gazebo模型，则可能已将COLLADA文件用作模型的视觉效果和碰撞。在链接中使用时，COLLADA动画会被忽略，但在皮肤中使用时，它们会被加载！
指定的文件<filename>可以是绝对路径，例如：
/home/<user>/my_gazebo_models/skeleton_model/skeleton.dae
还可以告诉Gazebo在环境变量中包含的所有目录中查找网格 GAZEBO_MODEL_PATH，如下所示：
model://skeketon_model/skeleton.dae
最后，可以使用一些与Gazebo一起安装的示例网格，直接引用它们的文件名。以下是可用的列表。看看他们中的一些代替上面的walk.world
moonwalk.daerun.daesit_down.daesitting.daestand_up.daestand.daetalk_a.daetalk_b.daewalk.dae
动画
结合不同的皮肤和动画
有时，将不同的皮肤与不同的动画组合起来很有用。Gazebo允许我们从一个文件中获取皮肤，从另一个文件中获取动画，只要它们具有兼容的骨架。
例如，文件和兼容，这样他们可以相互混合。走路的人有一件绿色衬衫，月球徒步者穿着一件红色衬衫。walk.daemoonwalk.dae
-
如果想一个人月球漫步与绿色衬衫，使用
walk对皮肤和moonwalk为动画。 -
如果想一个人走了红衬衣，使用
moonwalk对皮肤和walk为动画。
动画标签与皮肤标签一起使用，它需要一个name参数。像这样：
-
<?xml version="1.0" ?>
-
<sdf version="1.6">
-
<world name="default">
-
<include>
-
<uri>model://sun</uri>
-
</include>
-
<actor name="actor">
-
<skin>
-
<filename>walk.dae</filename>
-
</skin>
-
<animation name="animation">
-
<filename>moonwalk.dae</filename>
-
</animation>
-
</actor>
-
</world>
-
</sdf>
提示：查看本教程以了解有关COLLADA动画的更多信息。在凉亭的背景下，作为皮肤COLLADA文件必须有
<library_effects>和<library_materials>，而动画文件必须有<library_animations>。要一起使用，两个文件必须匹配<library_geometries>，<library_controllers>并且<library_visual_scenes>。
立即尝试不同的组合！
同步动画和轨迹
到目前为止，已经了解了创建轨迹和加载静态动画的所有信息。是时候学习如何组合它们了。
可能会想“只是添加<skin>，<animation>并<trajectory> 标记给我的演员，将一起工作”。继续尝试，我甚至会给你一个例子：
-
<sdf version="1.6">
-
<world name="default">
-
<include>
-
<uri>model://sun</uri>
-
</include>
-
<actor name="actor">
-
<skin>
-
<filename>walk.dae</filename>
-
</skin>
-
<animation name="animation">
-
<filename>walk.dae</filename>
-
</animation>
-
<script>
-
<trajectory id="0" type="walking">
-
<waypoint>
-
<time>0</time>
-
<pose>0 2 0 0 0 -1.57</pose>
-
</waypoint>
-
<waypoint>
-
<time>2</time>
-
<pose>0 -2 0 0 0 -1.57</pose>
-
</waypoint>
-
<waypoint>
-
<time>2.5</time>
-
<pose>0 -2 0 0 0 1.57</pose>
-
</waypoint>
-
<waypoint>
-
<time>7</time>
-
<pose>0 2 0 0 0 1.57</pose>
-
</waypoint>
-
<waypoint>
-
<time>7.5</time>
-
<pose>0 2 0 0 0 -1.57</pose>
-
</waypoint>
-
</trajectory>
-
</script>
-
</actor>
-
</world>
-
</sdf>
继续加载它，看看会发生什么。这不是预期，对吗？演员的腿根本不动。那是因为Gazebo不知道哪个动画与哪个轨迹匹配。所以让改变动画名称以匹配轨迹类型，如下所示：
-
<animation name="walking">
-
<filename>walk.dae</filename>
-
</animation>
好吧，所以演员都在世界上来回移动，并且移动他的腿。但那看起来不太自然，对吧？他的脚在地上滑动。
骨架动画在X轴上包含一个平移组件，通过运行没有任何轨迹的动画来注意到这一点。但是这个动画还没有与轨迹同步。可以通过<interpolate_x>在内部设置为true 来启用它 <animation>。
-
<animation name="walking">
-
<filename>walk.dae</filename>
-
<interpolate_x>true</interpolate_x>
-
</animation>
注意：
y或者z轴没有插值标记，因此请确保您的原位动画沿x轴移动。
现在终于让两个动画完美同步了。应该看到这个人从一侧走到另一侧，一个方向更快，另一个方向更慢。
闭环轨迹
刚学会了如何创建演员并通过SDF设置他们的轨迹。对此的限制是轨迹在开环中运行，也就是说，它没有从环境中获取任何反馈。现在来看看如何使用插件改变轨迹的示例。
提示：如果不熟悉Gazebo插件，请先查看一些插件教程。
Gazebo有一个示范世界，演员四处移动，同时避开障碍物。看看它在运行：
gazebo worlds/cafe.world
SDF中的插件
就像模型一样，可以为任何actor编写自定义插件，并在SDF描述中分配插件。来看看 cafe.world 中引用视频中某个演员的部分：
-
<actor name="actor1">
-
<pose>0 1 1.25 0 0 0</pose>
-
<skin>
-
<filename>moonwalk.dae</filename>
-
<scale>1.0</scale>
-
</skin>
-
<animation name="walking">
-
<filename>walk.dae</filename>
-
<scale>1.000000</scale>
-
<interpolate_x>true</interpolate_x>
-
</animation>
-
<plugin name="actor1_plugin" filename="libActorPlugin.so">
-
<target>0 -5 1.2138</target>
-
<target_weight>1.15</target_weight>
-
<obstacle_weight>1.8</obstacle_weight>
-
<animation_factor>5.1</animation_factor>
-
<ignore_obstacles>
-
<model>cafe</model>
-
<model>ground_plane</model>
-
</ignore_obstacles>
-
</plugin>
-
</actor>
可以看到，不是给出要遵循的特定路点列表，而是给出了一个插件。在插件标签内，有几个参数可以专门针对这个插件进行调整。我们不会详细介绍插件的工作原理，这里的目的是展示一些参数可以暴露出来，确定轨迹的逻辑将在插件内部。
插件C ++代码
ActorPlugin可在此处找到 该源代码。而 这里 是头。
第一个技巧是听这样的世界更新开始事件：
-
this->connections.push_back(event::Events::ConnectWorldUpdateBegin(
-
std::bind(&ActorPlugin::OnUpdate, this, std::placeholders::_1)));
这样，指定一个回调，它将在每次迭代时调用。这是我们将更新演员轨迹的功能。让看一下插件在该函数中的作用：ActorPlugin::OnUpdate
-
void ActorPlugin::OnUpdate(const common::UpdateInfo &_info)
-
{
-
// Time delta
-
double dt = (_info.simTime - this->lastUpdate).Double();
-
-
ignition::math::Pose3d pose = this->actor->GetWorldPose().Ign();
-
ignition::math::Vector3d pos = this->target - pose.Pos();
-
ignition::math::Vector3d rpy = pose.Rot().Euler();
-
-
double distance = pos.Length();
-
-
// Choose a new target position if the actor has reached its current
-
// target.
-
if (distance < 0.3)
-
{
-
this->ChooseNewTarget();
-
pos = this->target - pose.Pos();
-
}
它首先检查当前信息，如时间和演员姿势。如果它已经到达目标目的地，选择一个新目的地。
-
// Normalize the direction vector, and apply the target weight
-
pos = pos.Normalize() * this->targetWeight;
-
-
// Adjust the direction vector by avoiding obstacles
-
this->HandleObstacles(pos);
-
-
// Compute the yaw orientation
-
ignition::math::Angle yaw = atan2(pos.Y(), pos.X()) + 1.5707 - rpy.Z();
-
yaw.Normalize();
-
-
// Rotate in place, instead of jumping.
-
if (std::abs(yaw.Radian()) > GZ_DTOR(10))
-
{
-
pose.Rot() = ignition::math::Quaterniond(1.5707, 0, rpy.Z()+
-
yaw.Radian()*0.001);
-
}
-
else
-
{
-
pose.Pos() += pos * this->velocity * dt;
-
pose.Rot() = ignition::math::Quaterniond(1.5707, 0, rpy.Z()+yaw.Radian());
-
}
-
-
// Make sure the actor stays within bounds
-
pose.Pos().X(std::max(-3.0, std::min(3.5, pose.Pos().X())));
-
pose.Pos().Y(std::max(-10.0, std::min(2.0, pose.Pos().Y())));
-
pose.Pos().Z(1.2138);
然后继续计算目标姿势，同时考虑障碍物并确保我们有平稳的运动。以下步骤是最重要的，因为它们涉及特定于actor的API。
-
// Distance traveled is used to coordinate motion with the walking
-
// animation
-
double distanceTraveled = (pose.Pos() -
-
this->actor->GetWorldPose().Ign().Pos()).Length();
-
-
this->actor->SetWorldPose(pose, false, false);
-
this->actor->SetScriptTime(this->actor->ScriptTime() +
-
(distanceTraveled * this->animationFactor));
-
this->lastUpdate = _info.simTime;
-
}
首先将actor的世界姿势设置为静态模型SetWorldPose。但这不会触发动画。这是通过告诉演员它的骨架动画应该在哪个点来完成的SetScriptTime。
总之，在编写自己的插件时，可以使用您选择的逻辑在每个时间步骤定义所需的姿势。另外，不要忘记选择适当的脚本时间来同步动画。在此处查看该类 的完整API 。physics::Actor
中级教程：连接到ROS 1.0
概述
Velodyne传感器功能齐全，但没有像ROS这样的机器人中间件的插件。使用Gazebo和ROS的好处之一是它可以在现实世界和模拟世界之间轻松切换。为了实现这一目标，需要让我们的传感器与ROS生态系统很好地配合。
添加ROS传输
修改当前的插件以包含ROS传输机制，其方式与我们在前一个教程中添加Gazebo传输机制的方式类似。
-
将头文件添加到文件中。
velodyne_plugin.cc-
#include <thread>
-
#include "ros/ros.h"
-
#include "ros/callback_queue.h"
-
#include "ros/subscribe_options.h"
-
#include "std_msgs/Float32.h"
-
-
向插件添加一些成员变量。
-
/// \brief A node use for ROS transport
-
private: std::unique_ptr<ros::NodeHandle> rosNode;
-
-
/// \brief A ROS subscriber
-
private: ros::Subscriber rosSub;
-
-
/// \brief A ROS callbackqueue that helps process messages
-
private: ros::CallbackQueue rosQueue;
-
-
/// \brief A thread the keeps running the rosQueue
-
private: std::thread rosQueueThread;
-
-
在
Load函数结束时，添加以下内容。-
// Initialize ros, if it has not already bee initialized.
-
if (!ros::isInitialized())
-
{
-
int argc = 0;
-
char **argv = NULL;
-
ros::init(argc, argv, "gazebo_client",
-
ros::init_options::NoSigintHandler);
-
}
-
-
// Create our ROS node. This acts in a similar manner to
-
// the Gazebo node
-
this->rosNode.reset(new ros::NodeHandle("gazebo_client"));
-
-
// Create a named topic, and subscribe to it.
-
ros::SubscribeOptions so =
-
ros::SubscribeOptions::create<std_msgs::Float32>(
-
"/" + this->model->GetName() + "/vel_cmd",
-
1,
-
boost::bind(&VelodynePlugin::OnRosMsg, this, _1),
-
ros::VoidPtr(), &this->rosQueue);
-
this->rosSub = this->rosNode->subscribe(so);
-
-
// Spin up the queue helper thread.
-
this->rosQueueThread =
-
std::thread(std::bind(&VelodynePlugin::QueueThread, this));
-
-
如果仔细阅读代码，会注意到需要两个新功能：
OnRosMsg和QueueThread。现在加上这些。-
/// \brief Handle an incoming message from ROS
-
/// \param[in] _msg A float value that is used to set the velocity
-
/// of the Velodyne.
-
public: void OnRosMsg(const std_msgs::Float32ConstPtr &_msg)
-
{
-
this->SetVelocity(_msg->data);
-
}
-
-
/// \brief ROS helper function that processes messages
-
private: void QueueThread()
-
{
-
static const double timeout = 0.01;
-
while (this->rosNode->ok())
-
{
-
this->rosQueue.callAvailable(ros::WallDuration(timeout));
-
}
-
}
-
-
要处理的最后一项是cmake构建。
- 打开。
CMakeLists.txt -
修改文件的顶部部分如下所示。
-
cmake_minimum_required(VERSION 2.8 FATAL_ERROR)
-
-
find_package(roscpp REQUIRED)
-
find_package(std_msgs REQUIRED)
-
include_directories(${roscpp_INCLUDE_DIRS})
-
include_directories(${std_msgs_INCLUDE_DIRS})
-
-
修改插件的目标链接库。
target_link_libraries(velodyne_plugin ${GAZEBO_LIBRARIES} ${roscpp_LIBRARIES}) -
现在应该是这样的。
CMakeLists.txt-
cmake_minimum_required(VERSION 2.8 FATAL_ERROR)
-
-
find_package(roscpp REQUIRED)
-
find_package(std_msgs REQUIRED)
-
include_directories(${roscpp_INCLUDE_DIRS})
-
include_directories(${std_msgs_INCLUDE_DIRS})
-
-
# Find Gazebo
-
find_package(gazebo REQUIRED)
-
include_directories(${GAZEBO_INCLUDE_DIRS})
-
link_directories(${GAZEBO_LIBRARY_DIRS})
-
set(CMAKE_CXX_FLAGS "${CMAKE_CXX_FLAGS} ${GAZEBO_CXX_FLAGS}")
-
-
# Build our plugin
-
add_library(velodyne_plugin SHARED velodyne_plugin.cc)
-
target_link_libraries(velodyne_plugin ${GAZEBO_LIBRARIES} ${roscpp_LIBRARIES})
-
-
# Build the stand-alone test program
-
add_executable(vel vel.cc)
-
-
if (${gazebo_VERSION_MAJOR} LESS 6)
-
include(FindBoost)
-
find_package(Boost ${MIN_BOOST_VERSION} REQUIRED system filesystem regex)
-
target_link_libraries(vel ${GAZEBO_LIBRARIES} ${Boost_LIBRARIES})
-
else()
-
target_link_libraries(vel ${GAZEBO_LIBRARIES})
-
endif()
-
- 打开。
-
确保已经成功配置好ROS：
source /opt/ros/<DISTRO>/setup.bash -
重新编译插件。
-
cd ~/velodyne_plugin/build
-
cmake ../
-
make
-
从ROS控制Velodyne
我们现在可以像往常一样加载Gazebo插件，它将监听ROS主题以获取传入的浮动消息。然后，这些消息将用于设置Velodyne的旋转速度。
-
开始
roscore-
source /opt/ros/<DISTRO>/setup.bash
-
roscore
-
-
在新的终端，启动Gazebo
-
cd ~/velodyne_plugin/build
-
source /opt/ros/<DISTRO>/setup.bash
-
gazebo ../velodyne.world
-
-
在新终端中，用于
rostopic发送速度消息。-
source /opt/ros/<DISTRO>/setup.bash
-
rostopic pub /my_velodyne/vel_cmd std_msgs/Float32 1.0
-
-
更改上述命令的最后一个数字以设置不同的速度。
结论
恭喜，现在拥有构建自定义模型，共享模型和生成公共API的工具。玩得开心，快乐模拟！
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/89817010
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