ROS——Gazebo仿真——四轮小车（SmartCar）详细教程——urdf文件详解

清疚 2022-03-10 09:42 1418阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  1. Link元素结构
 *  2. link详细属性解析
 *  3. joint元素结构
 *  4. Joint详细属性解析
 *  5. SmartCar——urdf
 *  参考文献

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# 1. Link元素结构 #

link元素描述了具有惯性，视觉特征和碰撞特性的刚体。简单的link文件如下所示

上述代码对应的结构图如下，在其中定义了惯性、视觉、碰撞特性，通常一个`joint`连接两个`link`。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzE2Nzc1Mjkz_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

# 2. link详细属性解析 #

*  name (必选)  
    link自己的名字，自己任意指定，在这里名字为`my_link`。
 *  inertial(可选元素)
    
     *  origin（可选：如果未指定，则默认为identity）  
        这是惯性参考系相对于链路参考系的姿态。惯性参考系的原点需要位于重心处。惯性参考系的轴不需要与惯性的主轴对齐。  
        xyz（可选：默认为零向量）  
        表示  x x x， y y y， z z z 偏移量。  
        rpy（可选：如果未指定，则默认为identity）  
        表示以弧度表示的固定轴滚动，俯仰和偏航角度。
     *  mass  
        链接的质量由此元素的value属性表示
     *  inertia  
        3x3转动惯量矩阵，以惯性框架表示。因为转动惯量矩阵是对称的，所以这里使用属性ixx，ixy，ixz，iyy，iyz，izz仅指定该矩阵的6个以上对角线元素。
 *  visual (可选元素)  
      link的可视属性。此元素指定对象的形状（例如：立方体(box)，圆柱(cylinder)等）以用于可视化目的。注意：同一链接可以存在多个visual标记实例。个人感觉该属性是必选属性，要想在仿真软件里看到该模型，就必须设置该属性。
    
     *  name  
          指定链接几何的一部分的名称。不常用属性。
     *  origin (optional: defaults to identity if not specified)  
        The reference frame of the visual element with respect to the reference frame of the link.  
        xyz（可选：默认为零向量）  
        表示 x x x， y y y， z z z偏移量。  
        rpy（可选：如果未指定，则默认为identity）  
        表示以弧度表示的固定轴滚动，俯仰和偏航角度。
     *  geometry (必选)
        
        视觉对象的形状。这可以是以下之一：
        
         *  box (立方体)  
            size属性包含框的三个边长。立方体的原点在它的中心。
         *  cylinder (圆柱)  
            指定半径和长度。圆柱的原点位于其中心，原点如图所示，其他立方体的原点类似。
         *  sphere (球)  
            指定半径。球体的原点位于其中心。
         *  mesh  
            当想添加更为复杂的模型时，可以通过`.stl`等mesh文件导入模型。

![20190310165632134.png][]

*  material（可选）  
    视觉元素的材料。允许在顶层’robot’元素中指定’link’对象之外的材质元素。然后，您可以在链接元素中按名称引用材料。
    
     *  name  
        材料的名称
     *  color（可选）  
        rgba由四个数字组成的材料颜色，表示红色/绿色/蓝色/ alpha，每个数字的范围为\[0,1\]。alpha即色彩空间，也就是透明度/不透明度。
     *  texture（可选）  
        材质的纹理由文件名指定。
 *  collision（可选）
    
      链接的碰撞属性。请注意，这可能与链接的可视属性不同，例如，通常使用更简单的碰撞模型来减少计算时间。注意：同一链接可以存在多个collision标记实例。它们定义的几何的联合形成了链接的碰撞表示。该属性主要是在模拟时模型会与其他模型发生碰撞，不设置该属性的话会出现两个模型相互穿过的情况，设置该属性后在geometry设定的形状内两个模型会发生碰撞。
    
     *  name（可选）  
        指定链接几何的一部分的名称。这对于能够引用链接几何的特定位是有用的。
     *  origin（可选：如果未指定，则默认为identity）  
        碰撞元素的参考系相对于链接的参考系。  
        xyz（可选：默认为零向量）  
        表示 x x x， y y y， z z z偏移量。  
        rpy（可选：如果未指定，则默认为identity）  
        表示以弧度表示的固定轴滚动，俯仰和偏航角度。
     *  geometry  
        请参阅上述可视元素中的几何描述。

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# 3. joint元素结构 #

joint元素描述了机器人关节的运动学和动力学，并且指定了关节的安全限制。

下面是一个使用joint元素的例子:

上述代码对应的结构图如下，在其中定义了父link、子link以及两者之间的链接状态。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzE2Nzc1Mjkz_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

# 4. Joint详细属性解析 #

joint元素中拥有两个属性:

*  name (必选)  
    指定joint的名字(唯一的)
 *  type (必选)  
    指定joint的类型，有下列选项:
    
     *  revolute - 可以绕着一个轴旋转的铰链关节，有最大值和最小值限制。
     *  continuous - 连续型的铰链关节，可以绕一个轴旋转，没有最大值和最小值限制。
     *  prismatic - 滑动关节，可以沿着一个轴滑动，有最大值和最小值限制。
     *  fixed - 这不是一个实际的关节，因为它无法运动，所有的自由度都被锁定。这种类型的关节不需要指定轴、动力学特征、标度和最大值最小值限制。
     *  floating - 这是一个具有6个自由度的关节。
     *  planar - 此关节在一个平面内运动，垂线是运动轴。
 *  origin (optional: defaults to identity if not specified)  
    从parent link到child link的变换，joint位于child link的原点，具体如图所示。
    
     *  xyz (optional: defaults to zero vector)  
        代表 x x x, y y y, z z z 轴方向上的偏移，单位米。
     *  rpy (optional: defaults 'to zero vector 'if not specified)  
        代表绕着固定轴旋转的角度：roll绕着x轴,pitch绕着y轴，yaw绕着z轴，用弧度表示。
 *  parent (必选)  
    parent link的名字是一个强制的属性，是这个link在机器人结构树中的名字。 可以理解为parent是主题，child是固定在主体上的配件。
 *  child> (必选)  
    child link的名字是一个强制的属性，是这个link在机器人结构树中的名字。
 *  axis (可选: defaults to (1,0,0))  
    joint的axis轴在joint的坐标系中。这是revolute joint旋转的轴，prismatic joint移动的轴，是planar joint的标准平面。这个轴在joint坐标系中被指定。fixed和floating类型的joint不需要用到这个字段。
    
     *  xyz (required)  
        代表轴向量的  x x x, y y y, z z z 分量，这应该是一个标准化的向量。
 *  calibration (可选)  
    joint的参考点，用来矫正joint的绝对位置。
 *  rising (可选)  
    当joint正向运动时，参考点会触发一个上升沿。
 *  falling (可选)  
    当joint正向运动时，参考点会触发一个下降沿。
 *  dynamics (可选)  
    该元素用来指定joint的物理性能。它的值被用来描述joint的建模性能，尤其是在仿真的时候。
    
     *  damping (可选, defaults to 0)  
        joint的阻尼值。(移动关节为 N ⋅ s m \\frac\{N \\cdot s\}\{m\} mN⋅s，旋转关节为 N ⋅ m ⋅ s r a d \\frac\{N \\cdot m \\cdot s \}\{rad\} radN⋅m⋅s
     *  friction (可选, defaults to 0)  
        joint的摩擦力值(移动关节为 N N N, 旋转关节为 N ⋅ m N \\cdot m N⋅m).
 *  limit (只有 type 为 revolute and prismatic 时必选)  
    该元素包含以下属性:
    
     *  lower (可选, defaults to 0)  
        指定joint运动范围下界的属性(revolute joint的单位为弧度，prismatic joint的单位为米)，连续型的joint忽略该属性。
     *  upper (可选, defaults to 0)  
        指定joint运动范围上界的属性(revolute joint的单位为弧度，prismatic joint的单位为米)，连续型的joint忽略该属性。
     *  effort (必选)  
        该属性指定了joint运行时的最大的力。 ( ∣ | ∣applied effort ∣ < ∣ | < | ∣<∣effort ∣ | ∣)。 [详见安全限制][Link 1]
     *  velocity (必选)  
        该属性指定了joint运行时的最大的速度。 [详见安全限制][Link 1]
 *  mimic (可选) (New with ROS Groovy. See issue)  
    这个标签用于指定已定义的joint来模仿已存在的joint。这个joint的值可以用以下公式计算 value = multiplier \* other\_joint\_value + offset. 有如下可选的属性: joint (required)  
    需要模仿的joint的名字。
    
     *  multiplier (可选)  
        指定上述公式中的乘数因子。
     *  offset (可选)  
        指定上述公式中的偏移项。默认值为0(revolute joint的单位为弧度，prismatic joint的单位为米)。
 *  safety\_controller (可选)  
    该元素包含下列属性:
    
     *  soft\_lower\_limit (可选, defaults to 0)  
        该属性指定了joint安全控制边界的下界，是joint安全控制的起始限制点。这个值需要大于上述的limit中的lower值。 更多细节 [详见安全限制][Link 1]。
     *  soft\_upper\_limit (可选, defaults to 0)  
        该属性指定了joint安全控制边界的上界，是joint安全控制的起始限制点。这个值需要小于上述的limit中的upper值。 更多细节 [详见安全限制][Link 1]。
     *  k\_position (可选, defaults to 0)  
        本属性用于说明位置和速度之间的关系。 更多细节 [详见安全限制][Link 1]。
     *  k\_velocity (必选)  
        本属性用于说明力和速度之间的关系。 更多细节 [详见安全限制][Link 1]。

# 5. SmartCar——urdf #

下载相关文件[点击这里][Link 2]  
下面对小车的urdf进行详细的介绍。

<?xml version="1.0"?> 
    <robot name="smartcar">
        <link name="base_link"> 
            <visual> 
                <geometry> 
                    <box size="0.25 .16 .05"/> 
                </geometry>
    
                <origin rpy="0 0 1.57075" xyz="0 0 0"/> 
    
                <material name="blue">
                    <color rgba="0 .5 .8 1"/>
                </material>
            </visual>
        </link>

为更直观的看 的作用，在rviz中显示如下图

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzE2Nzc1Mjkz_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

将其改为 `<origin rpy="0 0 0" xyz="0 0 0"/>`后，在rviz中显示如下图

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzE2Nzc1Mjkz_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][] 明显可以看出图中只有车体绕着z轴转动了90度，轮子等其他部分没有变动。

右前轮的link定义如下，至于为什么右前轮没有`<origin rpy="0 0 1.57075" xyz="0 0 0"/>`进行转动，因为在其后的定义的**right\_front\_wheel\_joint**中将其旋转链接在`base_link`上。

下面是连接车体和右前轮的joint，名字为**right\_front\_wheel\_joint**

下面为其他轮子的定义，以及与车体的link，不再做详细解释，跟上面的类同。

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# 参考文献 #

[urdf官方教程][urdf]  
[link官方教程][link]  
[joint官方教程][joint]

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzE2Nzc1Mjkz_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20220310/de23bec5fc534638a5cd144507fa83a8.png
[20190310165632134.png]: /images/20220310/446ab059bb1a46f28ae0d23661353a23.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzE2Nzc1Mjkz_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20220310/a0381e9b576d48a399a0e0e40fc54574.png
[Link 1]: http://wiki.ros.org/pr2_controller_manager/safety_limits
[Link 2]: https://download.csdn.net/download/qq_16775293/11012697
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzE2Nzc1Mjkz_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: /images/20220310/3df3409d680c4c4d94c9d1e7a0415596.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzE2Nzc1Mjkz_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: /images/20220310/28d8873117e543a5854716653a2c63f7.png
[urdf]: http://wiki.ros.org/urdf
[link]: http://wiki.ros.org/urdf/XML/link
[joint]: http://wiki.ros.org/urdf/XML/joint