前言

本篇文章介绍的是ROS高效进阶内容，使用URDF 语言(xml格式)做一个差速轮式机器人模型，并使用URDF的增强版xacro，对机器人模型文件进行二次优化。

差速轮式机器人：两轮差速底盘由两个动力轮位于底盘左右两侧，两轮独立控制速度，通过给定不同速度实现底盘转向控制。一般会配有一到两个辅助支撑的万向轮。

此次建模，不引入算法，只是把机器人模型的样子做出来，所以只使用 rivz 进行可视化显示。

机器人的定义和构成

  1. 机器人定义：机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高级灵活性的自动化机器。目前，自动驾驶汽车也被认为是一种机器人。
  2. 机器人构成：机器人通常分为四大部分，即执行机构，驱动系统，传感系统和控制系统。以自动驾驶汽车为例，执行机构就是油门，转向和刹车；驱动系统就是电动机；传感系统就是各种传感器：lidar，radar，camera，uss，imu，GNSS；控制系统就是智驾算法系统：感知，定位，规划和控制。
  3. 机器人四大部分的控制回路，大致如图：

使用URDF和Xacro构建差速轮式机器人模型_宏函数

URDF建模套路

  1. URDF：Unified Robot Description Format，统一的机器人描述文件格式。urdf 文件使用 xml 格式。
  2. 用 urdf 描述机器人，套路如下：每个机器人都是由多个 link(连杆) 和 joint(关节)组成。这里的 link 和joint 很宽泛，形状不一定是杆和轴。比如桌子，桌面和腿都是link，连接处是固定的 joint。
<?xml version="1.0" ?>
<robot name="name of robot">
	<link> ... </link>
	<joint> ... </joint>
	...
</robot>
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使用URDF和Xacro构建差速轮式机器人模型_宏函数_02

  1. link：描述机器人某个刚体部分的外观和物理属性。外观包括：尺寸，颜色，形状。物理属性包括：惯性矩阵(inertial matrix)和碰撞参数(collision properties)。在机器人建模中，每个link 都是一个坐标系。下面是差速轮式机器人底盘的建模，底盘一般称为 base。
<link name="base_link">
  	// visual 标签就是外观
    <visual>
      // base_link本身是个坐标系，这也是差速轮式机器人各组成部分的根坐标系，一般会把他的坐标原点设置在rviz的中心处
      // origin表示底盘在其base_link坐标系下的原始位置和旋转状态
      // xyz表示底盘质心在base_link坐标系的偏移位置，rpy(roll，pitch，yaw)是底盘绕base_link的x,y,z三个轴的旋转值
      <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
      // geometry是物体几何外形
      <geometry>
      	// 这里的底盘，用圆柱体表示，length值为高度，radius是半径值
        <cylinder length="0.16" radius="0.2"/>
      </geometry>
      // material是材料，这里指定底盘颜色为红色，rgba是三色+透明度表示法，三色的范围是0~1，而不是0-255
      <material name="red">
        <color rgba="1 0 0 1"/>
      </material>
    </visual>
  </link>
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这里我们只进行外观建模，因此暂不涉及物理属性配置。

  1. joint：描述两个 link 之间的关系，包括运动学和动力学属性，这里暂时只关注运动学属性。通常情况下，两个 link 的关系一般分为六种：

continuous：旋转关节，可以围绕单轴360度无限旋转，比如轮子的轴

revolute：旋转关节，但是有旋转角度的范围限制，比如钟摆

prismatic：滑动关节，也叫活塞关节，沿某一轴线移动的关节，有位置限制，强调一维，比如打气筒

planar：平面关节，允许在平面正交方向上平移或旋转，强调平面，比如抽屉内外滑动

floating：浮动关节，允许进行平移和旋转运动，比如人体的肩关节

fixed：固定关节，比如桌子腿和桌面

下面是差速轮式机器人主动轮与底盘的 joint 样例：

// joint标签就是关节，type表示链接关系
  <joint name="left_wheel_joint" type="continuous">
    // origin表示轮子在base_link坐标系下的偏移和旋转
    <origin xyz="0 0.19 -0.05" rpy="0 0 0" />
    // 根link是底盘，子link是轮子
    <parent link="base_link" />
    <child link="left_wheel_link" />
    // axis描述的轮子相对于其自身坐标系的 y 轴旋转，=
    <axis xyz="0 1 0" />
  </joint>
  
  // 这是轮子link
  <link name="left_wheel_link">
    <visual>
      // 轮子相当于其x轴，旋转90度，也就是立起来
      <origin xyz="0 0 0" rpy="1.5707 0 0"/>
      <geometry>
        <cylinder length="0.06" radius="0.06"/>
      </geometry>
      <material name="white">
        <color rgba="1 1 1 0.9"/>
      </material>
    </visual>
  </link>
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使用URDF做一个差速轮式机器人模型

  1. 创建 mbot_description 软件包及相关文件
cd ~/catkin_ws/src
catkin_create_pkg mbot_description urdf xacro

cd mbot_description 
mkdir -p config doc launch meshes urdf/sensor
touch launch/display_mbot_urdf.launch launch/display_mbot_xacro.launch
touch urdf/mbot_base.urdf urdf/mbot_base.xacro
touch urdf/sensor/camera.xacro urdf/sensor/kinect.xacro urdf/sensor/laser.xacro
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  1. mbot_base.urdf ：这是整个mbot建模的文件，包括底盘，两个动力伦，两个万向轮，一个camera，一个kinect(深度相机)，一个lidar。
<?xml version="1.0" ?>
<robot name="mbot">

  <link name="base_link">
    <visual&g