第九篇：ROS的gazebo三维物理仿真环境联合使用

RoboticsTechLab

已于 2025-01-27 21:13:49 修改

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分类专栏：【9】仿真调试系统及开发生态搭建 # 【4】ROS系统平台&机器人开发基础文章标签：自动驾驶人工智能机器学习

于 2021-11-10 16:05:18 首次发布

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本文先对gazebo三维物理仿真环境做个简单的介绍，具体内容后续再更，其他模块可以参考去我其他文章

提示：以下是本篇文章正文内容

一、gazebo介绍

gazebo是三维物理仿真平台，强调的是创建一个虚拟的仿真环境。gazebo不是显示工具，强调的是仿真，它不需要数据，而是创造数据.gazebo本身就是一款机器人的仿真软件，基于ODE的物理引擎，可以模拟机器人以及环境中的很多物理特性%2c不仅可以仿真机器人的运动功能，还可以仿真机器人的传感器数据。而这些数据就可以放到rviz中显示，所以使用gazebo的时候，经常也会和rviz配合使用。另外，【防盗标记–盒子君hzj】rviz配合其他功能包也可以建立一个简单的仿真环境，比如rviz+ArbotiX，可以参考《ROS by Example》
教程见：http://www.ros.org/wiki/simulator_gazebo/Tutorials

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二、应用场景

1.测试机器人算法

2.机器人的设计【防盗标记–盒子君hzj】

3.显示场景下的回溯测试
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三、gazebo的特点

动力学仿真：支持多种高性能的物理引擎，例如ODE、Bullet、SimBody、DART等
三维可视化环境：支持显示逼真的三维环境，包括光线、纹理、影子。
传感器仿真：支持传感器数据的仿真，同时可以仿真传感器噪声。
可扩展插件：用户可以定制化开发插件，扩展gazebo的功能，满足个性化的需求。
多种机器人模型：官方提供PR2、Pioneer2 DX、TurtleBot等机器人模型，当然也可以使用自己创建的机器人模型。
TCP/IP传输：gazebo可以实现远程仿真，后台仿真和前台显示通过网络通信。
【防盗标记–盒子君hzj】
云仿真：gazebo仿真可以在Amazon、Softlayer等云端运行，也可以在自己搭建的云服务器上运行。

终端工具：用户可以使用gazebo提供的命令行工具在终端实现仿真控制。

四、gazebo安装并运行

1.安装

与rviz一样，如果已经安装了桌面完整版的ROS，那么可以直接跳过这一步，否则，请使用以下命令进行安装：

$ sudo apt-get install ros-kinetic-gazebo-ros-pkgs ros-kinetic-gazebo-ros-control

2.运行

安装完成后，在终端中使用如下命令启动ROS和gazebo【防盗标记–盒子君hzj】
$ roscore

$ rosrun gazebo_ros gazebo或者打开gazebo:直接在终端输入$ gazebo
.

五、gazebo界面介绍

在这里插入图片描述
0 ：3D视图区

1 ：工具栏
用于选择、移动、旋转和缩放对象的按钮；创建简单形状（例如立方体、球体、圆柱体）；和复制/粘贴

2 ：模型列表
WORLD:显示当前在场景中的模型，并允许您查看和修改模型参数【防盗标记–盒子君hzj】

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

LAYERS:组织并显示仿真中可用的不同可视化组（如果有）

3 ：模型属性项

4 ：时间显示区

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六、gazebo和ros的接口功能包

gazebo仿真的元素搭建都是有对应的msgs的，也有对应的api函数，学会这些自己也可以搭建

(1)gazebo_ros
主要用于gazebo的接口封装、gazebo服务端和客户端的启动、URDF模型的生成【防盗标记–盒子君hzj】

(2)gazebo_msgs
主要是gazebo的话题msg和服务srv的数据结构

(3)gazebo_plugins
主要用于gazebo的通用传感器插件

(4)gazebo_ros_api_plugins\gazebo_ros_path_plugins
这两个gazebo的插件实现接口的封装

官方教程

http://gazebosim.org/tutorials?tut=custom_messages&cat=transport
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七、搭建仿真环境步骤【重点!!!】

1.gazebo的服务器和客户端

（gazebo的底层引擎）
服务器gzserver：用于模拟物理、渲染和传感器的服务器
客户端gzclient：提供图形界面以可视化模拟并与模拟交互的客户端【防盗标记–盒子君hzj】

客户端和服务器使用gazebo通信库进行通信

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2.【环境模型文件】构建环境几何模型【.world/.sdf】

（有关环境配置的都在这里，包括静态对象、灯光等等）
【这个一般都要自己搭建–以.world模型文件的形式】

（1）环境几何模型目录

（1）世界对象
如建筑物和灯光

（2）静态对象
标记为静态的实体（在SDF中具有<Static>true</Static>元素的实体）是仅具有碰撞几何体的对象。所有不打算移动的对象都应标记为静态

（3）动态对象
标记为动态的实体（缺少<static>元素或在SDF中设置为false）是同时具有惯性和碰撞几何体的对象。

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（2）静态简单场景搭建

1. 方法一：直接使用gazebo的GUI收录的模型/自己下载gazebo的模型数据库，然后保存成为.world文件

后续也能通过参数修改

（1）【快速搭建】Gazebo 界面GUI提供了一组简单的形状：长方体、球体和圆柱体
（2）【非常有用】Gazebo的模型数据库model database是所有类型模型的存储库，包括机器人、桌子和建筑物
（3）环境搭建完成后，选择“文件”菜单的“保存”，格式为.world文件，若要重新打开，进入.world文件目录下，输入指令$gazebo XXX.world

官方教程
【创建环境】http://gazebosim.org/tutorials?tut=build_world&cat=build_world
【修改环境】http://gazebosim.org/tutorials?tut=modifying_world&cat=build_world
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2. 方法二：使用Building Editor自己画模型（主要是围墙和房子），然后保存成为.world文件

在gazebo菜单栏中选择Edit –; Building Editor，可以打开Building Editor界面。选择左侧的绘制选项，然后在上侧窗口中使用鼠标绘制，下侧窗口中即可实时显示绘制的仿真环境。【防盗标记–盒子君hzj】

参考官方教程
http://gazebosim.org/tutorials?cat=build_world&tut=building_editor

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3.方法三：在github上搜索开源的环境模型，拿过来直接用【这个还是自己搭建比较好】

github打发~~
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（3）动态复杂场景搭建

查阅gazebo官网提供的教程，一般使用world插件的方法进行导入

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（4）修改已经搭建好的.world文件的方法

去到放置.world文件的目的，运行指令$gazebo XXX.world，修改完成后覆盖保存一下【防盗标记–盒子君hzj】
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注意

（1）仿真环境应该尽可能保持简单，不然出问题很难搞

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3.【机器人模型文件】构建机器人几何模型【.urdf/.xacro】

（有关机器人本体的构造配置都在这里，包括机器人的机械构造、几何链接关系）
【这个能用别人的模型就用别人的模型–以describe功能包模型文件的形式】

（0）机器人/障碍物的几何模型目录结构原理

（1）模型的内涵

	能够以编程方式或通过GUI将模型动态加载到仿真中
	模型定义了具有动力学、运动学和视觉特性的物理实体
	模型可能有一个或多个插件，这些插件会影响模型的行为【防盗标记–盒子君hzj】

（2）模型数据库的目录结构

（1）【插件】Plugins Directory
（2）【几何结构】Meshes Directory
（3）【材料】Material Directory
（4）Database Config
（5）Model Config
（6）Model SDF
（7）Model SDF.ERB

Gazebo依靠模型数据库来存储和维护仿真中可用的模型，模型数据库是社区支持的资源
git clone https://github.com/osrf/gazebo_models

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（1）简单的机器人/障碍物模型构建【使用gazebo的界面GUI的Model Editor实现】

注意这种方法仅仅适合用Model Editor的

（1）机械外形【simple shapes/custom shapes】

方法一：用GUI简单的几何图形搭建一个简单的机器人【防盗标记–盒子君hzj】
方法二：用SVG files画一些机械小零件

官方教程
http://gazebosim.org/tutorials?cat=model_editor_top&tut=extrude_svg

（2）插入传感器【Model Database】

从gazebo的模型数据库中插入现有的传感器模型

第一个列表包含本地计算机上可用的模型

第二个列表包含gazebo官方的模型，在线模型数据库下载它们时，将显示更多信息

（3）添加插件【Model Plugins】

简单的插件可以使用gazebo现有的插件，复杂的插件可以通过编程的方法创建自己的插件【防盗标记–盒子君hzj】

（4）最后通过GUI保存模型

参考官方教程
http://gazebosim.org/tutorials?cat=guided_b&tut=guided_b3

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（2）复杂的机器人模型构建【自己借助工具或者编程实现】

1）方法一：通过简单的URDF/xacro文件编程实现

1、名称

Unified Robot Description Format 统一机器人描述格式

2、优点

1、可以解析URDF文件中使用XML格式描述的机器人模型【防盗标记–盒子君hzj】
2、ROS同时也提供URDF文件的C++解析器

3、机器人结构分解
连杆link

格式:
<link name="<link name">
    <inertial>......</inertial>
    <visual>......</visual>
    <colliion>......</colliion>
<link>

参数：
  <inertial>:描述link的惯性参数：惯性矩阵
  <visual>：描述link部分的外观参数：外观、尺寸、颜色
 <colliion>：描述link的碰撞属性：碰撞参数

关节join

格式：
<joint name="joint name"type="joint type">
    <parent link="parent link"/>
    <child link="child link"/>
    <calibration......./>
    <dynamics....../>
    <limit....../>
    <....../>
</joint>

参数
<parent link>:连接关节的前一个连杆,必须要的
<child link>:连接关节的后一个连杆,必须要的
<calibration>:关节的参考位置，用来校准绝对的关节位置的
<dynamics>:描述关节的物理属性，例如阻尼值、静摩擦力，经常在动力学仿真上用到【防盗标记–盒子君hzj】
<limit>:描述关节运动的极限值，包括上下限位置、速度限制、力矩限制等
<mimic>:描述该关节和已有关节的关系
<safety _controller>:描述安全控制器参数

关节类型
1、（重要）continuous:旋转关节，可以围绕单轴做无限旋转
2、（重要）revolute:旋转关节，进可以围绕单轴做有限角度旋转
3、prismastic:平滑关节，可以沿着某一轴线移动，带有位置限制
等等

4、建立仿真模型urdf实操(让rviz模型可视化)【涉及launch文件】
在这里插入图片描述

2）方法二：专有的场景零件，使用SDF文件自己编程实现

（1）创建环境外形模型meshes

方法一：在Google 的 3D 仓库里面进行寻找
链接为：https://3dwarehouse.sketchup.com/

方法二：使用三维建模软件构建环境，并导入gazebo 【防盗标记–盒子君hzj】
Blender、Sketchup、soildworks

（2）编写.sdf环境文件

在这里插入图片描述
官方教程
http://gazebosim.org/tutorials?tut=build_model&cat=build_robot

.
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3）方法三：通过soildworks工具导入

把设计文件转化成urdf文件再导入到机器人模型【防盗标记–盒子君hzj】
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4）方法四：通过github上开源的下载，改一改使用【我常用这种方法–偷鸡】

注意
（1）创建一个机器人，放在gazebo的环境（URDF\Xacro，可以自己创建也可以GitHub）[构建一个模型很麻烦，因为不精准，网上找就行]

.
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（3）两个xacro模型连接到同一个总的xacro模型的方法

【用于连接同一个机器人的父模型（躯干）与子模型（手臂）】
【用于连接机器人模型和传感器模型】

注意

（1）创建一个机器人，放在gazebo的环境（URDF\Xacro，可以自己创建也可以GitHub）[构建一个模型很麻烦，因为不精准，网上找就行]

.
.
.

4.【构建/使用环境插件】【.pluin】

（实现传感器数据处理、控制等复杂功能，包括六种类型的插件）
【嵌入到系统中使用，不能单独使用】【防盗标记–盒子君hzj】
【这个能用别人的插件就用别人的插件–以插件的形式】

（1）构建自己的插件的方法

1）从零构建一个插件的泛型方法

官方教程1
http://gazebosim.org/tutorials?tut=plugins_hello_world&cat=write_plugin

官方教程2
http://gazebosim.org/tutorials?tut=ros_plugins&cat=connect_ros
.
.
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2）gazebo插件的类型、构建+编译+使用方法

目前有6种类型的插件，每个插件类型都由Gazebo的不同组件管理

（1）【环境场景插件】World

World插件连接到World，控制World属性，例如物理引擎、环境照明等
构建的官方教程http://gazebosim.org/tutorials?tut=plugins_world&cat=write_plugin

（2）【机器人模型插件–控制】Model

Model插件连接到Gazebo中的特定机器人模型并控制该模型，控制关节和模型的状态
构建的官方教程http://gazebosim.org/tutorials?tut=plugins_model&cat=write_plugin

（3）【传感器插件】Sensor

Sensor插件到一个特定的传感器，获取传感器信息并控制传感器属性【防盗标记–盒子君hzj】
在后面有详细说

（4）【系统插件】System

System插件在命令行中指定，并在Gazebo启动时首先加载。这个插件让用户可以控制启动过程
官方教程http://gazebosim.org/tutorials?tut=system_plugin&cat=write_plugin

（5）【可视化插件】Visual

GUI覆盖视为位于渲染窗口顶部的透明2D层，可视化参数
官方教程http://gazebosim.org/tutorials?tut=gui_overlay&cat=user_input

（6）【界面插件】GUI
.
.
.

3）从零构建一个32线的激光雷达传感器插件

【构建好了插件放在哪里都能用了】【防盗标记–盒子君hzj】
参考官方教程
http://gazebosim.org/tutorials?cat=guided_i&tut=guided_i1
.
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4）测试插件的的基本方法（以激光雷达为例）

（1）Start roscore
source /opt/ros/<DISTRO>/setup.bash
roscore
（2）In a new terminal, start Gazebo
cd ~/velodyne_plugin/build
source /opt/ros/<DISTRO>/setup.bash
gazebo ../velodyne.world
（3）In a new terminal, use rostopic to send a velocity message.
source /opt/ros/<DISTRO>/setup.bash
rostopic pub /my_velodyne/vel_cmd std_msgs/Float32 1.0

.
.
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（2）使用别人构建的插件的方法【重点】

0）主要原理与步骤

（1）第一步：在gazebo中可以通过插入一些插件，来仿真机器人的传感器、执行驱动器的特性，这些插件通过元素中的标签描述

（2）第二步：在传感器的urdf/xacro.sdf文件中，通过使用标签先把传感器模型（带插件）包含进来机器人子模型中，再通过标签连接不同模型

（3）第三步：（大型模型才会这么做，选做）先用xacro文件为传感器创建一个传感器模型和配置，再把传感器的xacro模型与配置通过二次标签嵌入到机器人的xacro文件【防盗标记–盒子君hzj】

官方教程
http://gazebosim.org/tutorials?tut=add_laser&cat=build_robot
.
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1）使用机器人本体插件

（1）【Model插件】小车运动控制插件类

（1）差速底盘驱动插件
很多机器人本体都采用差速驱动的方式，gazebo提供差速机器人的仿真插件，可以直接将下边的代码放到URDF文件中，修改相应的参数，指定运动控制需要订阅的主题，让机器人在gazebo中动起来

<gazebo>
  <plugin name="differential_drive_controller" filename="libgazebo_ros_diff_drive.so">
    <alwaysOn>true</alwaysOn>
    <updateRate>${update_rate}</updateRate>
    <leftJoint>base_link_right_wheel_joint</leftJoint>
    <rightJoint>base_link_left_wheel_joint</rightJoint>
    <wheelSeparation>0.5380</wheelSeparation>
    <wheelDiameter>0.2410</wheelDiameter>
    <torque>20</torque>
    <commandTopic>cmd_vel</commandTopic>
    <odometryTopic>odom</odometryTopic>
    <odometryFrame>odom</odometryFrame>
    <robotBaseFrame>base_footprint</robotBaseFrame>
  </plugin>
</gazebo>

（2）在关节Jink和连杆link中设置速度（PID）插件

在关节Jink和连杆link中设置速度【防盗标记–盒子君hzj】
官方教程http://gazebosim.org/tutorials?tut=set_velocity&cat=

（3）接触传感器【Contact Sensor】

接触传感器检测两个物体之间的碰撞，并报告与接触相关的力的位置
官方教程http://gazebosim.org/tutorials?tut=contact_sensor&cat=sensors

（4）关节的力与力矩传感器插件【Force/Torque Sensor】

在关节上使用力/扭矩传感器。该传感器将力和扭矩读数发布到主题。
官方教程http://gazebosim.org/tutorials?tut=force_torque_sensor&cat=sensors

（5）通用控制接口ros_control

控制通用接口
官方教程http://gazebosim.org/tutorials?tut=ros_control&cat=connect_ros

（6）重力PID补偿插件

在Gazebo中使用模型插件进行重力补偿，以及如何补充内置PID关节控制器
官方教程http://gazebosim.org/tutorials?tut=gravity_compensation&cat=plugins

（7）【model插件】JointEvent事件触发插件

当关节的位置（或速度或施加的力）进入或离开指定范围时，JointEvent将在sim_事件主题上发送消息【防盗标记–盒子君hzj】
官方教程http://gazebosim.org/tutorials?tut=joint_events&cat=

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（2）【Sensor插件】小车传感器类

【xacro文件之间可以进行嵌套】
官方教程http://gazebosim.org/tutorials?tut=ros_gzplugins&cat=connect_ros

1、仿真二维雷达数据
因为带示例在我的知识库,后续转移过来~
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2、仿真摄像头数据
因为带示例在我的知识库,后续转移过来~【防盗标记–盒子君hzj】
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3、仿真三维激光雷达数据
因为带示例在我的知识库,后续转移过来~
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4、仿真RealSense双目相机数据
因为带示例在我的知识库,后续转移过来~
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5、深度相机集成插件
因为带示例在我的知识库,后续转移过来~
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2）使用world环境插件

（1）【world插件】动态的人行走的场景（actor）

【作为动态障碍物】
博客教程http://gazebosim.org/tutorials?tut=actor#Scriptedtrajectories
官方教程http://gazebosim.org/tutorials?tut=actor&cat=build_robot
.

（2）为世界坐标系下的任意link指定随机的运动速度

【Random Velocity Plugin】【作为动态障碍物】【防盗标记–盒子君hzj】

为世界上的link指定随机速度,可以设置x、y和z速度分量的最大和最小允许值以及速度幅值。此外，还可以设置时间段，在此时间段之后，速度可以自行更改。设置“速度幅值”后，将自行设置方向

官方教程http://gazebosim.org/tutorials?tut=plugins_random_velocity&cat=

（3）获取机器人在gazebo的定位信息

以插件形式获取:可以在机器人的urdf模型中加入插件

    <!-- Fake localization plugin -->
    <plugin name="ground_truth_odometry" filename="libgazebo_ros_p3d.so">
      <alwaysOn>true</alwaysOn>
      <updateRate>100.0</updateRate>
      <bodyName>base_link</bodyName>
      <topicName>base_pose_ground_truth</topicName>
      <gaussianNoise>0.01</gaussianNoise>
      <frameName>map</frameName>-->
        <!-- initialize odometry for fake localization-->
      <xyzOffsets>0 0 0</xyzOffsets>
      <rpyOffsets>0 0 0</rpyOffsets>
    </plugin>

以订阅者形式获取
订阅话题/gazebo/model_states，找到对应模型的名称
【防盗标记–盒子君hzj】

void _modelStatesCallback(const gazebo_msgs::ModelStatesConstPtr &msg)
{
  int modelCount = msg->name.size();

  for(int modelInd = 0; modelInd < modelCount; ++modelInd)
  {
      if(msg->name[modelInd] == "turtlebot3")
      {
          _current_pose.pose = msg->pose[modelInd];
          _current_velocity.twist = msg->twist[modelInd];
          break;
      }
  }
}

（4）基于事件触发

（1）【world插件】Occupied Event
每当模型占据指定的三维区域时，OccuppiedEvent将发送有关主题的消息【防盗标记–盒子君hzj】
官方教程
.http://gazebosim.org/tutorials?tut=occupiedevent&cat=plugins

（2）【world插件】环境触发事件的动作（Trigger an Action）
官方教程
http://gazebosim.org/tutorials?tut=contain_plugin&cat=plugins

.
.

3）【可视化插件】Visual

作用
GUI覆盖视为位于渲染窗口顶部的透明2D层，可视化参数

官方教程
http://gazebosim.org/tutorials?tut=gui_overlay&cat=user_input

注意

ROS的gazebo的仿真插件需要什么功能插件可以去官网里面找，或者wiki【防盗标记–盒子君hzj】
.
.
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5.通过launch文件导入相关gazebo需要的东西【gazebo.launch】

（有关启动gazebo组件的都在这里）
【这个一般是是自己实现的–gazabo的launch】

一级的demo_run.launch

【这个launch是启动整个工程的】
其他模块的启动…

<!---Gazebo---->
<include file="$(gazebo所在的功能包)/.../launch/gazebo.launch">

.
.

二级的gazebo.launch

【这个launch 是专门处理gazebo的】

（1）使用roslaunch命令打开环境World Models仿真环境

1）命令（不带参数）：roslaunch gazebo.launch
2）命令（带参数）：roslaunch gazebo_ros empty_world.launch paused:=true use_sim_time:=false gui:=true throttled:=false recording:=false debug:=true verbose:=true gui_required:=true

（2）编写gazebo.launch的原理

（1）【几何环境加载】world文件加载的原理
先创建一个空的empty gazebo环境，再通过world_name加载.world文件的路径进去【防盗标记–盒子君hzj】

（2）【机器人模型文件加载】xacro文件加载原理
机器人模型一般是再网上下载下来的，已经是一个带有传感器和控制插件的功能包了，像再launch上启动一个功能包这样启动它就行了

（3）【插件文件的加载】
插件文件一般都嵌入到了world几何环境和model机器人模型中了，具体怎么操作看插件的使用章节，
带有模型的插件是不会独立使用的，一些独立的系统的可视化的插件可以，
如rqt_steering插件（rqt工具包有比较多的独立插件）、robot_state_publisher（用于发布TF）

（4）......

.
.

（3）gazebo.launch通常启动类型的步骤

启动gazebo环境也是启动一个总的launch，进而启动一堆仿真相关的机械外形、控制、传感器数据、环境数据、插件数据、坐标转换的东西！
（1）【环境几何模型】设置gazebo的参数(最常用时这个了)
不设置的话，使用默认参数

paused  在暂停状态下启动Gazebo（默认为false）
use_sim_time  告知ROS节点请求时间以获取通过ROS主题/时钟发布的Gazebo发布的模拟时间（默认为true）
gui  启动Gazebo的用户界面窗口（默认为true）
gui_required  当gzclient（用户界面窗口）退出时终止启动脚本（默认为false）
headless  启用gazebo状态日志记录
debug  Start gzserver (Gazebo Server) in debug mode using gdb (default false)
verbose 使用--verbose运行gzserver和gzclient，向终端打印错误和警告（默认为false）
server_required  当gzserver（Gazebo服务器）退出时终止启动脚本（默认为false）
world_name  这个就是我们建立.world文件的目录

（2）【机器人模型】在gazebo中加载机器人模型xacro（robot_description）
（3）【插件】运行robot_state_publisher节点，用于发布TF
（4）【插件】加载小车控制器rqt_steering
（5）【插件】启动rqt steering GUI【插件】
…

官方教程
http://gazebosim.org/tutorials?tut=ros_roslaunch&cat=connect_ros