ROS机器人小车建模仿真与SLAM

2024-06-17 03:28
文章标签 仿真 建模 slam 机器人 ros 小车

本文主要是介绍ROS机器人小车建模仿真与SLAM，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

文章目录

  • 一、URDF
  • 二、创建小车模型
    • 1.创建功能包
    • 2.导入依赖
    • 3.创建urdf,launch文件：
    • 4.可视化
  • 三、添加雷达
    • 1.xacro文件
    • 2.集成和修改launch
    • 3.添加摄像头和雷达
  • 三.GAZEBO仿真
  • 四、orbslam2+kitti
    • 1.下载
    • 2.安装编译ORB_SLAM2
    • 3.运行Kitee数据集

一、URDF

​ URDF，即统一机器人描述格式（Unified Robot Description Format），是一种用于描述机器人模型的XML文件格式。URDF文件包含了机器人的物理和关节属性，使得机器人可以在仿真环境中被准确地表示和模拟。URDF是ROS（机器人操作系统）中广泛使用的一种格式，但它也可以独立于ROS使用。

URDF文件的主要组成部分包括：

  • 机器人（Robot）：定义了机器人的根元素，包含了机器人的所有链接（links）和关节（joints）。
  • 链接（Link）：代表机器人的一个物理部分，可以是机器人的手臂、腿部或任何其他部分。每个链接都有其几何形状、质量、尺寸和视觉/碰撞属性。
  • 关节（Joint）：定义了链接之间的连接方式，可以是旋转关节（revolute）、滑动关节（prismatic）或其他类型。关节定义了链接之间的相对运动。
  • 材料（Material）：定义了链接的视觉属性，如颜色、纹理等。
  • 传感器（Sensor）：可以附加到链接上，用于在仿真中模拟传感器的功能。
  • 插件（Plugin）：允许URDF文件包含自定义的脚本或行为。

URDF文件使得开发者能够在不同的仿真环境中重用机器人模型，同时也方便了机器人设计和仿真的交流。URDF文件可以被转换成其他格式，以适应不同的仿真软件或机器人控制系统。

二、创建小车模型

1.创建功能包

mkdir -p catkin_ws/src
cd catkin_ws/src
catkin_init_workspace

2.导入依赖

catkin_create_pkg jubot_demo urdf xacro 
cd jubot_demo/
mkdir urdf
mkdir launch
mkdir meshes
mkdir config

在这里插入图片描述

3.创建urdf,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>

urdf:

<!-- <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>

4.可视化

先编译配置launch文件，退到主目录catkin_ws下，执行catkin_make。

成功之后，再执行 catkin_make install。
然后在主目录catkin_make下配置环境变量source devel/setup.bash。

检测环境变量是否配置成功echo $ROS_PACKAGE_PATH。

再启动launch文件，完成可视化的建立：
创建启动文件：

cd ~/catkin_ws/src/mbot_description/launch
sudo gedit display_mbot_base_urdf.launch

在打开的文件中写入

<launch><!-- 加载的参数名字叫robot_description，具体内容是urdf相关模型的路径 --><param name="robot_description" textfile="$(find mbot_description)/urdf/mbot_base.urdf" /><!-- 设置GUI参数，显示关节控制插件 --><param name="use_gui" value="true"/><!-- 运行joint_state_publisher节点，发布机器人的关节状态  --><node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" /><!-- 运行robot_state_publisher节点，发布tf  --><node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="state_publisher" /><!-- 运行rviz可视化界面，保存每次打开之后的相关插件，保存到config文件夹下面 --><node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz" args="-d $(find mbot_description)/config/mbot_urdf.rviz" required="true" />
</launch>

建立可视化

roslaunch jubot_demo box_launch.launch

得到模型：

在这里插入图片描述

三、添加雷达

1.xacro文件

在urdf文件夹下建一个xacro文件夹，在终端打开。

在文件夹中新建my_base.urdf.xacro文件，编写xacro文件：

vim my_base.urdf.xacro

在打开的文件中写入


<robot name="my_base" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro"><xacro:property name="PI" value="3.141"/><material name="black"><color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" /></material><xacro:property name="base_footprint_radius" value="0.001" /> <xacro:property name="base_link_radius" value="0.1" /> <xacro:property name="base_link_length" value="0.08" /> <xacro:property name="earth_space" value="0.015" /> <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 ${earth_space + base_link_length / 2 }" /></joint><xacro:property name="wheel_radius" value="0.0325" /><xacro:property name="wheel_length" value="0.015" /><xacro:macro name="add_wheels" params="name flag"><link name="${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} ${-(earth_space + base_link_length / 2 - wheel_radius) }" /><axis xyz="0 1 0" /></joint></xacro:macro><xacro:add_wheels name="left" flag="1" /><xacro:add_wheels name="right" flag="-1" /><xacro:property name="support_wheel_radius" value="0.0075" /> <!-- 支撑轮半径 --><xacro:macro name="add_support_wheel" params="name flag" ><link name="${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.集成和修改launch

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，然后启动launch文件

box_launch

 <launch><!-- <param name="robot_description" textfile="$(find jubot_demo)/urdf/box_urdf.urdf" /> --><param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro $(find jubot_demo)/urdf/xacro/my_base.urdf.xacro" /><!-- <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" /><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" /><node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" /></launch>

将launch修改为

 <launch><!-- <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" /><node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find jubot_demo)/config/rviz/show_four_wheel_car.rviz" /><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" /><node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" /></launch>

3.添加摄像头和雷达

在xacro文件夹中新建my_camera.urdf.xacro

<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="${base_link_length / 2 + camera_height / 2}" /> <link name="camera"><visual><geometry><box size="${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>

my_car_camera.urdf.xacro

 <!-- 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>

my_laser.urdf.xacro文件

 
<robot name="my_camera" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro"><xacro:property name="camera_length" value="0.01" /> <xacro:property name="camera_width" value="0.025" /> <xacro:property name="camera_height" value="0.025" /> <xacro:property name="camera_x" value="0.08" /> <xacro:property name="camera_y" value="0.0" /> <xacro:property name="camera_z" value="${base_link_length / 2 + camera_height / 2}" /> <link name="camera"><visual><geometry><box size="${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>

在这里插入图片描述

三.GAZEBO仿真

修改碰撞属性和惯性矩阵，导入到gazebo中。

my_base.urdf.xacro：

 <robot name="base" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro"><xacro:macro name="sphere_inertial_matrix" params="m r"><inertial><mass value="${m}" /><inertia ixx="${2*m*r*r/5}" ixy="0" ixz="0"iyy="${2*m*r*r/5}" iyz="0" izz="${2*m*r*r/5}" /></inertial></xacro:macro><xacro:macro name="cylinder_inertial_matrix" params="m r h"><inertial><mass value="${m}" /><inertia ixx="${m*(3*r*r+h*h)/12}" ixy = "0" ixz = "0"iyy="${m*(3*r*r+h*h)/12}" iyz = "0"izz="${m*r*r/2}" /> </inertial></xacro:macro><xacro:macro name="Box_inertial_matrix" params="m l w h"><inertial><mass value="${m}" /><inertia ixx="${m*(h*h + l*l)/12}" ixy = "0" ixz = "0"iyy="${m*(w*w + l*l)/12}" iyz= "0"izz="${m*(w*w + h*h)/12}" /></inertial></xacro:macro>
</robot>

my_camera.urdf.xacro：

 <robot name="my_camera" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro"><xacro:property name="camera_length" value="0.01" /> <xacro:property name="camera_width" value="0.025" /> <xacro:property name="camera_height" value="0.025" /> <xacro:property name="camera_x" value="0.08" /> <xacro:property name="camera_y" value="0.0" /> <xacro:property name="camera_z" value="${base_link_length / 2 + camera_height / 2}" /> <xacro:property name="camera_m" value="0.01" /> <link name="camera"><visual><geometry><box size="${camera_length} ${camera_width} ${camera_height}" /></geometry><origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" /><material name="black" /></visual><collision><geometry><box size="${camera_length} ${camera_width} ${camera_height}" /></geometry><origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" /></collision><xacro:Box_inertial_matrix m="${camera_m}" l="${camera_length}" w="${camera_width}" h="${camera_height}" /></link><joint name="camera2base_link" type="fixed"><parent link="base_link" /><child link="camera" /><origin xyz="${camera_x} ${camera_y} ${camera_z}" /></joint><gazebo reference="camera"><material>Gazebo/Blue</material></gazebo>
</robot>

my_car_camera.urdf.xacro：

 <robot name="my_laser" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro"><xacro:property name="support_length" value="0.15" /> <xacro:property name="support_radius" value="0.01" /> <xacro:property name="support_x" value="0.0" /> <xacro:property name="support_y" value="0.0" /> <xacro:property name="support_z" value="${base_link_length / 2 + support_length / 2}" /> <xacro:property name="support_m" value="0.02" /> <link name="support"><visual><geometry><cylinder radius="${support_radius}" length="${support_length}" /></geometry><origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" /><material name="red"><color rgba="0.8 0.2 0.0 0.8" /></material></visual><collision><geometry><cylinder radius="${support_radius}" length="${support_length}" /></geometry><origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" /></collision><xacro:cylinder_inertial_matrix m="${support_m}" r="${support_radius}" h="${support_length}" /></link><joint name="support2base_link" type="fixed"><parent link="base_link" /><child link="support" /><origin xyz="${support_x} ${support_y} ${support_z}" /></joint><gazebo reference="support"><material>Gazebo/White</material></gazebo><xacro:property name="laser_length" value="0.05" /> <xacro:property name="laser_radius" value="0.03" /> <xacro:property name="laser_x" value="0.0" /> <xacro:property name="laser_y" value="0.0" /> <xacro:property name="laser_z" value="${support_length / 2 + laser_length / 2}" /> <xacro:property name="laser_m" value="0.1" /> <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><collision><geometry><cylinder radius="${laser_radius}" length="${laser_length}" /></geometry><origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" /></collision><xacro:cylinder_inertial_matrix m="${laser_m}" r="${laser_radius}" h="${laser_length}" /></link><joint name="laser2support" type="fixed"><parent link="support" /><child link="laser" /><origin xyz="${laser_x} ${laser_y} ${laser_z}" /></joint><gazebo reference="laser"><material>Gazebo/Black</material></gazebo>
</robot>

my_laser.urdf.xacro：

<robot name="my_car_camera" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro"><xacro:include filename="gazebo_head.xacro" /><xacro:include filename="gazebo_car.xacro" /><xacro:include filename="gazebo_laser.xacro" /><xacro:include filename="gazebo_camera.xacro" />
</robot>

在终端进入launch目录

vim gazebo_car.launch

在打开的文件中写入：

<launch><param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro $(find urdf_gazebo)/urdf/xacro/gazebo_car_union.xacro" /><include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch" /><node pkg="gazebo_ros" type="spawn_model" name="model" args="-urdf -model mycar -param robot_description"  />
</launch>

四、orbslam2+kitti

1.下载

  • 下载依赖：https://gitcode.com/raulmur/ORB_SLAM2/overview?tab=readme-ov-file&utm_source=csdn_github_accelerator&isLogin=1

  • 下载Pangolin

cd Pangolin
mkdir build && cd build
cmake ..
sudo make -j8
  • 下载Ceres
sudo apt-get install  liblapack-dev libsuitesparse-dev libcxsparse3 libgflags-dev libgoogle-glog-dev libgtest-dev
cd ceres-solver
mkdir build && cd build
cmake ..
sudo make -j8
sudo make install
  • 下载g2o
sudo apt-get install qt5-qmake qt5-default libqglviewer-dev-qt5 libsuitesparse-dev libcxsparse3 libcholmod3
cd g2o
mkdir build && cd build
cmake ..
sudo make -j8
sudo make install
  • 下载DBoW3
mkdir build
cd build/
cmake ..
make
sudo make install

2.安装编译ORB_SLAM2

（1）下载ORB_SLAM2的安装包

sudo apt-get install ORB_SLAM2

（2）配置环境

cd ~/catkin_ws/src/ORB_SLAM2
sudo chmod +x build.sh
./build.sh

（3）使用ROS编译

sudo chmod +x build_ros.sh
./build_ros.sh

3.运行Kitee数据集

  • 下载数据集：https://www.cvlibs.net/datasets/kitti/eval_odometry.php

  • 运行ORB_SLAM2
    在这里插入图片描述

这篇关于ROS机器人小车建模仿真与SLAM的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！


http://www.chinasem.cn/article/1068355。

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一些数学经验总结——关于将原一元二次函数增加一些限制条件后最优结果的对比（主要针对公平关切相关的建模）

1.没有分段的情况 原函数为一元二次凹函数（开口向下），如下： 因为要使得其存在正解，必须满足，那么。 上述函数的最优结果为：，。 对应的mathematica代码如下： Clear["Global`*"]f0[x_, a_, b_, c_, d_] := (a*x - b)*(d - c*x);(*(b c+a d)/(2 a c)*)Maximize[{f0[x, a, b,
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