gazebo | Koreyoshi

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仿真环境Gazebo

Gazebo简介

Gazebo是ROS系统中最为常用的三维物理仿真平台，支持动力学引擎，可以实现高质量的图形渲染，不仅可以模拟机器人及周边环境，还可以加入摩擦力、弹性系数等物理属性。

基本应用

测试机器人算法

设计机器人

用显示场景进行回归测试

基本特点

包含多个物理引擎

包含丰富的机器人模型和环境库

包含多样的传感器

程序设计便捷，图形界面UI合理

性能与安装要求

操作系统要求：Ubuntu或者其他Linux发行版

其余要求：

GPU：Nvidia显卡配置，当然在场景简单时，可以只使用CPU；
CPU：至少是intel I5及以上的产品；
内存：至少500MB的磁盘空间，这里建议尽量大，8G+即可；

GUI界面详解

基础页面展示

面板

WORLD：“世界”选项卡，显示当前在场景中的模型，并允许你查看和修改模型参数，例如它们的姿势。你还可以通过展开“GUI”选项并调整相机姿势来更改摄像机视角。

INSERT：“插入”选项卡，向模拟添加新对象（模型）。要查看模型列表，您可能需要单击箭头以展开文件夹。在要插入的模型上单击（和释放），然后在场景中再次单击以添加它。

LAYERS：“图层”选项卡可组织和显示模拟中可用的不同可视化组（如果有）。图层可以包含一个或多个模型。打开或关闭图层将显示或隐藏该图层中的模型。大多数情况下都是空的，现在可以无视掉

顶部工具栏

顶部工具栏：包含与模拟器交互时的选项，具体介绍如下

选择模型（Select mode）：在场景中做标注；

转换模式（Translate mode）：选择要移动的模型，可以沿x轴，y轴，z轴，或任意方向移动模型；

旋转模式（Rotate mode）：选择要旋转的模型，可以沿x轴，y轴，z轴进行旋转模型；

缩放模式（Scale mode）：选择要缩放的模型，可以沿x轴，y轴，z轴进行缩小或放大模型；

撤消/重做（Undo/Redo）：撤消/重做场景中的操作；

简单物体（Simple shapes）：放置一个长方体/球体/圆柱体

灯光（Lights）：将灯光添加到场景，点光源 (球状点光源)/聚光灯 (从上而下，金字塔状向下照射)/方向性光源 (平行光)；

复制/粘贴（Copy/Paste）：复制/粘贴场景中的模型；

对齐（Align）：将模型彼此对齐；

捕捉（Snap）：将一个模型捕捉到另一个模型；

更改视图（Change view）：从不同角度查看场景。

底部工具栏

底部工具栏：显示仿真有关数据，具体如下

播放/暂停：根据你的程序，运行仿真或暂停

以步长播放：按照规定的时长，一步一步运行仿真，默认步长1ms

实时因子：模拟时间与真实时间的比率，1代表实时模拟

仿真时间（Simulation time）：当仿真运行时，时间在仿真环境中过得有多快。仿真可以比真实时间慢或快，具体取决于运行仿真所需的计算量；

真实时间（Real time）：在仿真环境中运行时实际经过的时间。仿真时间和真实时间的比率称为实时因子。

迭代次数：世界状态每迭代一次就更新一次。您可以在底部工具栏的右侧看到迭代次数。每次迭代都会将仿真推进一个固定的秒数，称为步长。

菜单

菜单栏：像大多数应用程序一样，gazebo顶部有一个应用程序菜单。某些菜单选项会显示工具栏中。在场景中，右键单击上下文菜单选项，可查看各种菜单。注意：有些Linux桌面会隐藏应用程序菜单。如果看不到菜单，请将光标移到应用程序窗口的顶部，菜单就会出现。

鼠标

鼠标按键	主要作用 (在3D视图空白处)	对已选中模型的作用
左键	点击以选择模型 (模型会高亮)	拖动以操控模型 (需先切换到上方工具栏的平移或旋转模式)
中键 (滚轮)	上下滚动以缩放视图	无特殊作用
中键 (按住拖动)	按住并拖动以平移视图	无特殊作用
右键	按住并拖动以旋转视图	点击弹出上下文菜单 (可删除、查看属性等)

URDF与SDF文件

URDF文件

URDF文件：统一机器人描述格式（urdf）是ROS用于描述机器人的所有元素的XML文件格式。

缺点：

在gazebo中使用urdf文件，必须添加一些特定用于仿真的标签才能与gazebo一起正常使用;

缺少许多功能，并且尚未进行更新以应对机器人技术的不断发展的需求。urdf只能单独指定单个机器人的运动学和动力学特性，无法指定世界中机器人本身的姿势;

不是通用的描述格式，因为它不能指定关节环（平行连接），并且缺乏摩擦和其他特性;

不能指定非机器人，例如灯光，高度图等;

语法大量使用XML属性破坏了正确的格式设置，这反过来又使urdf更加不灵活。

SDF文件

SDF文件：仿真描述格式(sdf)，是从世界级到机器人级的所有内容的完整描述，能够描述机器人、静态和动态物体、照明、地形甚至物理学的各方面的信息。

优点/对URDF优化：

可以精确描述机器人的各类性质，除了传统的运动学特性之外，还可以为机器人定义传感器、表面属性、纹理、关节摩擦等；

提供了定义各种环境的方法。包括环境光照、地形等;

使用XML格式进行描述,能够更好的描述真实的模拟条件;

选用要求

必须使用URDF文件：

要使用rviz进行可视化操作、要尽快做出仿真用以演示效果；
使用Solidworks建模，想方便地导出ROS三维模型。

必须使用SDF文件：

研究并联机器人，或机器人中存在封闭链结构；
想深入研究ROS-gazebo仿真，使仿真的动力学特性更加真实；想开发自己专用的Gazebo仿真插件。

转换方式

注意：此处的转换方式存在一定固有问题，最好还是直接安装格式书写，避免发生转换；

URDF转为SDF：

常规方法：将URDF加载到Gazebo，另存为一个单独的world文件，sdf格式的模型就完整地保存在*.world文件的元素下；

命令行方法：在URDF文件目录下开启终端，输入命令gz sdf -p my_model.urdf > my_model.sdf

SDF转为URDF：pysdf功能包（非官方开发工具）

下载功能包，置于工作空间src目录下，链接：https://link.zhihu.com/?target=https%3A//github.com/chenjm1109/pysdf

编译工作空间：

注意：此方法是相关大佬自行研发而得，存在一定限制性，解决办法如下：

sdf2urdf.py是python可执行文件，如果报错[rosrun] Couldn’t find executable named sdf2urdf below…，就需要先通过chmod +x *指令为其赋予可执行权限，这是使用所有ROS-python可执行文件时都要注意的事情。

sdf文件中不要有插件，也不要有ball关节等urdf无法识别的关节类型。

转换完成后可使用check_urdf工具检查urdf的合法性，命令如下：

仿真模型文件格式

.sdf文件 vs .world文件

相同点：

都是XML格式的文件

都可以在Gazebo中加载运行

语法结构基本相同

不同点：

.sdf文件（Simulation Description Format）

主要用途：描述单个模型或物体

文件范围：通常只包含一个<model>或一个<sdf>根元素

可复用性：更适合作为模块化的模型组件

.world文件

主要用途：描述整个仿真世界场景

文件范围：包含多个模型、光照、物理引擎设置等

组织结构：通常包含<world>根元素

推荐用途：建议用于你的园区环境

建议：对于园区环境，使用.world文件更合适，因为它能完整描述整个场景。

模型库

一、官方资源

资源名称	类型	获取方式	包含内容	推荐度
Gazebo官方模型库	基础模型	`git clone https://github.com/osrf/gazebo_models.git`	200+基础模型（家具、建筑、车辆等）	★★★★★
Gazebo Fuel平台	在线仓库	Gazebo界面Insert → Fuel 或 `gz fuel`命令	数千个社区贡献的模型	★★★★★
ROS官方模型	机器人模型	ROS包管理器（apt）	TurtleBot, PR2等标准机器人	★★★★★

二、ROS机器人模型包

机器人名称	ROS包名	环境类型	安装命令	特点
TurtleBot3	`turtlebot3-gazebo`	家庭/办公室	`sudo apt install ros-$ROS_DISTRO-turtlebot3-gazebo`	初学者友好，文档完善
Husky	`husky-gazebo`	野外/工业	`sudo apt install ros-$ROS_DISTRO-husky-gazebo`	四轮驱动，户外环境
Jackal	`jackal-gazebo`	室内/室外	`sudo apt install ros-$ROS_DISTRO-jackal-gazebo`	小型移动机器人
PR2	`pr2-gazebo`	实验室/家庭	`sudo apt install ros-$ROS_DISTRO-pr2-gazebo`	双机械臂，经典研究平台
Fetch	`fetch-gazebo`	仓库/办公室	`sudo apt install ros-$ROS_DISTRO-fetch-gazebo`	移动机械臂，物流场景
Pepper	`pepper-gazebo`	服务场景	`sudo apt install ros-$ROS_DISTRO-pepper-gazebo`	人形服务机器人
Spot	`spot_ros`	多种地形	GitHub安装	Boston Dynamics四足机器人

三、环境场景包

环境名称	ROS包名	场景类型	启动命令示例	复杂度
AWS小型房屋	`aws-robomaker-small-house-world`	住宅	`roslaunch aws_robomaker_small_house_world small_house.launch`	中等
AWS书店	`aws-robomaker-bookstore-world`	商业	`roslaunch aws_robomaker_bookstore_world bookstore.launch`	高
AWS医院	`aws-robomaker-hospital-world`	医疗	`roslaunch aws_robomaker_hospital_world hospital.launch`	高
AWS仓库	`aws-robomaker-warehouse-world`	工业	`roslaunch aws_robomaker_warehouse_world warehouse.launch`	高
TurtleBot3世界	`turtlebot3-gazebo`	训练	`roslaunch turtlebot3_gazebo turtlebot3_world.launch`	低
TurtleBot3房屋	`turtlebot3-gazebo`	住宅	`roslaunch turtlebot3_gazebo turtlebot3_house.launch`	中等
自动驾驶城市	`citysim`	城市道路	需编译安装	很高

四、GitHub热门仓库

仓库名称	GitHub地址	主要内容	适用场景
Gazebo Models	`https://github.com/osrf/gazebo_models`	基础模型集合	所有场景
AWS RoboMaker世界	`https://github.com/aws-robotics`	多个专业环境	商业/工业
Clearpath模型	`https://github.com/clearpathrobotics/clearpath_gazebo`	Husky/Jackal等	户外/研究
PX4无人机仿真	`https://github.com/PX4/PX4-SITL_gazebo`	无人机和世界	航空/无人机
Robotics Academy	`https://github.com/JdeRobot/RoboticsAcademy`	教学环境	教育培训
ROS-Industrial	`https://github.com/ros-industrial`	工业机器人	制造业

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