Gazebo Classic¶

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本文适用于 Gazebo Classic，搭配 ROS1 版本。新版 Gazebo 即 gz 请参考 https://gazebosim.org/

Gazebo 使用 .world 扩展名来表示仿真场景的配置文件， .world 文件实际上是 XML 格式的文件，只不过它使用的是 SDF 格式进行描述。

模型文件中，SDF 更适合 Gazebo 仿真，是 URDF 的升级版。URDF 更适合描述机器人模型，其中 Xacro 是 URDF 的升级版。有些使用场景需要注意：比如使用 Rviz 可视化只能使用 URDF 文件，并且 Xacro 兼容性更好，并联机器人的 Gazebo 仿真只能使用 SDF。

.world 文件是一个 XML 文档，它以 <world> 标签为根元素，包含了描述仿真世界的各种元素和其属性。通常 .world 文件包括了仿真世界中的各种模型、传感器、光源设置等信息。

Gazebo 通过命令行打开 .world 文件，加载仿真场景。

Bash

gazebo /usr/share/gazebo-11/worlds/empty_sky.world

ROS 必须通过 gazebo_ros 这个包来加载 .world 场景，其本质是 gazebo_ros 包调用 Gazebo 仿真器，继而加载 .world 场景。

ROS 打开仿真 .world 场景命令：

Bash

roslaunch xxx xxx.launch # roslaunch 软件包名称 launch文件名称
roslaunch gazebo_ros empty_world.launch
roslaunch gazebo_ros empty_world.launch world_name:=/path/to/your/world_file.world

empty_world.launch 用于加载 empty.world 或其他仿真世界文件，并可以包含其他 ROS 节点、参数设置和配置。

大致文件结构

在某一个软件包的根目录下，比如 ~/catkin_ws/src/xxx 。

创建一个 worlds 目录，用于存放需要仿真的世界文件，比如 a.world, b.sdf .

创建一个 launch 目录，用于存放启动文件，比如 c.launch ，使用 XML 编写。

基本概念：

模型 models，世界 worlds，插件 Plugins，传感器 sensors，视觉和物理属性，通信接口。

注意：

.world 文件是一种特殊的 .sdf 文件。在实际使用中， .world 文件和 .sdf 文件经常配合使用。 .world 文件定义了仿真环境的整体框架和全局参数，而 .sdf 文件则用于定义环境中的具体对象。在 Gazebo中，可以通过 <include> 标签将 .sdf 文件中定义的模型包含到 .world 文件中，这样可以重用 .sdf 文件中定义的模型，并且可以更容易地管理和维护仿真环境。

roslaunch 是通过 gazebo_ros 包，启动 Gazebo，然后把.world 的路径作为参数传进去，本质还是用 Gazebo 打开 world 文件，相当于 ROS 在外部进行了封装。 .launch 文件提供了 .world 文件的路径供 gazebo_ros 包加载，传给 Gazebo 并打开 .world 文件。

roslaunch 加载 .world 文件，等效于直接在终端或命令行中使用 gazebo world_file.world 命令。

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。

注意：

较之于 Rviz，Gazebo 在集成 URDF 时，需要做些许修改，比如：必须添加 collision 碰撞属性相关参数、必须添加 inertial 惯性矩阵相关参数，另外，如果直接移植 Rviz 中机器人的颜色设置是没有显示的，颜色设置也必须做相应的变更。

惯性矩阵的设置需要结合 link 的质量与外形参数动态生成，标准的球体、圆柱与立方体的惯性矩阵公式如下(已经封装为 xacro 实现):

球体惯性矩阵

XML

<!-- Macro for inertia matrix -->
    <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>

圆柱惯性矩阵

XML

<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>

立方体惯性矩阵

XML

 <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>

需要注意的是，原则上，除了 base_footprint 外，机器人的每个刚体部分都需要设置惯性矩阵，且惯性矩阵必须经计算得出，如果随意定义刚体部分的惯性矩阵，那么可能会导致机器人在 Gazebo 中出现抖动，移动等现象。

ros_control¶

场景:同一套 ROS 程序，如何部署在不同的机器人系统上，比如：开发阶段为了提高效率是在仿真平台上测试的，部署时又有不同的实体机器人平台，不同平台的实现是有差异的，如何保证 ROS 程序的可移植性？ROS 内置的解决方式是 ros_control。

ros_control 是一组软件包，它包含了控制器接口，控制器管理器，传输和硬件接口。ros_control 是一套机器人控制的中间件，是一套规范，不同的机器人平台只要按照这套规范实现，那么就可以保证与ROS 程序兼容，通过这套规范，实现了一种可插拔的架构设计，大大提高了程序设计的效率与灵活性。

Gazebo 已经实现了 ros_control 的相关接口，如果需要在 Gazebo 中控制机器人运动，直接调用相关接口即可。

Gazebo Classic¶

xacro¶

ros_control¶

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