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2025年6月11日 星期三

ROS2_Gazebo_URDF build and Load

將模型放入 ROS 2 Gazebo 並整合控制與感測器

將模型放入 ROS 2 Gazebo 並整合控制與感測器

本指南將詳細說明如何將您的 URDF 模型整合到 ROS 2 Gazebo 環境中，並加入控制插件、感測器模擬以及 RViz 可視化配置。內容基於您提供的資訊進行組織。

關於檔案名稱的注意事項： 您提供的 zip 檔案包含一個資料夾 ROS小車URDF-02，其中有一個 .urdf 檔案和多個 .stl 檔案（機構模型），命名中有中文亂碼（例如 Φ╗èΘ½ö_IMU.stl），這可能是編碼問題造成的。在實際操作中，建議將這些檔案重新命名為英文或純數字名稱，以避免潛在問題。本指南中的範例會使用簡化的英文名稱。

✅ 一、前置需求 ▶

請確保您已安裝以下軟體：

  • ROS 2（如 Humble / Iron）
  • Gazebo（通常是 Gazebo Classic，非 Ignition）
  • ros_ign_gazebo（如果您使用的是 Ignition 版本）
  • gazebo_ros_pkgs
✅ 二、解壓模型檔案 ▶

假設您有一個 ROS 2 workspace 位於 ~/ros2_ws。請使用以下指令將壓縮包解壓到您的 ROS 2 工作區：

bash 已複製! 
cd ~/ros2_ws/src
unzip /mnt/data/ROS小車URDF-02.zip -d urdf_car

這會將內容解壓到 ~/ros2_ws/src/urdf_car 資料夾中。

✅ 三、檢查模型目錄結構 ▶

解壓後，請確保目錄內包含類似以下結構（請根據實際情況調整檔案名稱）：

swift 已複製! 
urdf_car/
├── CMakeLists.txt
├── package.xml
├── launch/
│   └── gazebo.launch.py
├── urdf/
│   └── car.urdf.xacro  或 car.urdf (根據您提供的檔案應為 .urdf)
├── meshes/
│   └── *.dae / *.stl
└── world/
    └── your_world.world (optional)

如果檔案是 .xacro 格式，您需要在啟動前轉換成 URDF 格式。由於您提供的檔案是 .urdf，通常不需要額外轉換，但請檢查內容是否完整。

✅ 四、建立 launch 檔來載入模型至 Gazebo ▶

這是一個典型的 gazebo.launch.py 範例，可以用來載入車模到 Gazebo。請將此內容儲存到 urdf_car/launch/gazebo.launch.py。確保 arguments=['urdf/car.urdf'] 中的檔案名稱與您的模型實際名稱一致。

python 已複製! 
from launch import LaunchDescription
from launch_ros.actions import Node
from launch.actions import ExecuteProcess

def generate_launch_description():
    return LaunchDescription([
        # 啟動 Gazebo 模擬器 
        ExecuteProcess(
            cmd=['gazebo', '--verbose', '-s', 'libgazebo_ros_factory.so'],
            output='screen'),

        # 載入車輛模型
        Node(
            package='robot_state_publisher',
            executable='robot_state_publisher',
            name='robot_state_publisher',
            output='screen', 
            parameters=[{'use_sim_time': True}],
            arguments=['urdf/car.urdf']  # 根據實際檔名修改，例如 'urdf/ROS小車URDF-02.urdf'
        ),

        # Spawn Model 到 Gazebo 中
        Node(
            package='gazebo_ros',
            executable='spawn_entity.py',
            arguments=['-entity', 'urdf_car', '-file', 'urdf/car.urdf', '-x', '0', '-y', '0', '-z', '0.2'], 
            output='screen'
        )
    ])
✅ 五、編譯並啟動 ▶
  1. 回到工作區根目錄並編譯您的 package：
    2. bash 已複製! 
    cd ~/ros2_ws
colcon build --packages-select urdf_car
source install/setup.bash
  2. 啟動模擬：
    3. bash 已複製! 
    ros2 launch urdf_car gazebo.launch.py
✅ 六、建議補充（選用） ▶

以下是進一步增強您的模型與模擬環境的建議：

  • 加入控制插件（如 diff_drive_controller）
  • 加入感測器模擬（如 lidar、camera、IMU）
  • 撰寫控制節點與 RViz 可視化配置

接下來的步驟

以下將說明如何加入控制器、感測器模擬、RViz 可視化設定及控制節點。

① 修改 URDF：加入 Plugin 和 Sensor 模組

請將以下範例片段加入到您的 URDF 檔案中。通常這些 <gazebo> 標籤會放在 </robot> 標籤之前，或者與對應的 <link> 標籤在相同的 <robot> 範圍內。請確保連接 (reference) 的 link name 正確。

✅ 加入 Diff Drive Controller Plugin
xml 已複製! 
<gazebo>
  <plugin name="diff_drive" filename="libgazebo_ros_diff_drive.so">
    <ros>
      <namespace>/</namespace> 
    </ros>
    <update_rate>50</update_rate>
    <left_wheel>left_wheel_joint</left_wheel>
    <right_wheel>right_wheel_joint</right_wheel>
    <wheel_separation>0.5</wheel_separation>
    <wheel_diameter>0.15</wheel_diameter>
    <command_topic>cmd_vel</command_topic>
    <odometry_topic>odom</odometry_topic>
    <odometry_frame>odom</odometry_frame>
    <robot_base_frame>base_link</robot_base_frame>
    <publish_tf>true</publish_tf>
  </plugin>
</gazebo>

注意： 請將 left_wheel_joint 和 right_wheel_joint 替換為您 URDF 中實際定義的左右輪關節名稱。

✅ 加入 IMU 感測器模擬
xml 已複製! 
<link name="imu_link">
  <inertial>
    <mass value="0.01"/>
    <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
    <inertia ixx="0.001" ixy="0.0" ixz="0.0" iyy="0.001" iyz="0.0" izz="0.001"/>
  </inertial>
</link>

<gazebo reference="imu_link">
  <sensor name="imu_sensor" type="imu">
    <always_on>true</always_on>
    <update_rate>50</update_rate>
    <imu> 
      <angular_velocity />
      <linear_acceleration />
    </imu>
    <plugin name="imu_plugin" filename="libgazebo_ros_imu_sensor.so"/>
  </sensor>
</gazebo>

注意： 您需要在 URDF 中定義一個名為 imu_link 的連結，並將其放置在模型中 IMU 實際位置。如果您的模型中已有名為 Φ╗èΘ½ö_IMU.stl 的 mesh，則可能需要創建一個對應的 link 和 joint，並將此 <gazebo reference="imu_link"> 部分與其關聯。

✅ 加入相機模擬（RGB Camera）
xml 已複製! 
<gazebo reference="camera_link">
  <sensor name="camera_sensor" type="camera">
    <camera>
      <horizontal_fov>1.39626</horizontal_fov>
      <image>
        <width>640</width>
        <height>480</height>
        <format>R8G8B8</format>
      </image>
      <clip>
        <near>0.1</near>
        <far>100</far> 
      </clip>
    </camera>
    <plugin name="camera_controller" filename="libgazebo_ros_camera.so">
      <camera_name>camera</camera_name>
      <image_topic_name>image_raw</image_topic_name>
      <camera_info_topic_name>camera_info</camera_info_topic_name>
    </plugin>
  </sensor>
</gazebo>

注意： 您需要在 URDF 中定義一個名為 camera_link 的連結，並將其放置在模型中相機實際位置。

✅ 加入 LiDAR 模擬（單線雷達）
xml 已複製! 
<gazebo reference="lidar_link">
  <sensor name="lidar_sensor" type="ray">
    <ray>
      <scan>
        <horizontal>
          <samples>720</samples>
          <resolution>1</resolution>
          <min_angle>-1.57</min_angle>
          <max_angle>1.57</max_angle> 
        </horizontal>
      </scan>
      <range>
        <min>0.1</min>
        <max>10.0</max>
        <resolution>0.01</resolution>
      </range>
    </ray>
    <plugin name="gazebo_ros_laser" filename="libgazebo_ros_ray_sensor.so"/>
  </sensor>
</gazebo>

注意： 您需要在 URDF 中定義一個名為 lidar_link 的連結，並將其放置在模型中 LiDAR 實際位置。

② RViz 可視化設定

在您的 urdf_car package 中新增一個 rviz 資料夾，並在其中創建一個 car_config.rviz 檔案。將以下內容複製到該檔案中。這是一個簡化示意，您可以根據需要添加更多顯示項。

ini 已複製! 
Visualization Manager:
  Class: ""
  Displays:
    - Name: RobotModel
      Enabled: true
      Robot Description: robot_description 
    - Name: TF
      Enabled: true
    - Name: Odometry
      Topic: /odom
      Enabled: true
    - Name: LaserScan
      Topic: /scan
      Enabled: true

③ 控制節點（Teleop 範例）

要透過鍵盤控制車輛，您可以安裝 teleop_twist_keyboard package。

  1. 安裝：
    2. bash 已複製! 
    sudo apt install ros-humble-teleop-twist-keyboard
  2. 執行：
    3. bash 已複製! 
    ros2 run teleop_twist_keyboard teleop_twist_keyboard

    這會發布 /cmd_vel 主題，用於控制車子移動。

④ 啟動 Launch 檔整合

您可以建立一個新的 bringup.launch.py 檔案（例如在 urdf_car/launch/ 中）來一次性啟動 Gazebo、模型和 RViz。

python 已複製! 
from launch import LaunchDescription
from launch.actions import IncludeLaunchDescription
from launch.launch_description_sources import PythonLaunchDescriptionSource
from launch_ros.actions import Node
import os
from ament_index_python.packages import get_package_share_directory # 需要添加此行以獲取包路徑

def generate_launch_description():
    pkg_share = get_package_share_directory('urdf_car') # 獲取 urdf_car 包的安裝路徑

    return LaunchDescription([
        # 啟動 Gazebo + 模型 
        IncludeLaunchDescription(
            PythonLaunchDescriptionSource(os.path.join(pkg_share, 'launch', 'gazebo.launch.py'))
        ),

        # 啟動 RViz
        Node(
            package='rviz2',
            executable='rviz2',
            name='rviz2',
            arguments=['-d', os.path.join(pkg_share, 'rviz', 'car_config.rviz')], 
            output='screen'
        ),
    ])

注意： 您可能需要手動編輯 urdf_car/CMakeLists.txt 和 package.xml，以確保這些新的 launch 和 rviz 檔案會被安裝到 package 的 share 目錄中。例如，在 CMakeLists.txt 中加入類似以下行：

cmake 已複製! 
install(
    DIRECTORY launch rviz
    DESTINATION share/${PROJECT_NAME}
)
install(
    FILES urdf/car.urdf # 如果您的urdf在urdf/下，請確保安裝
    DESTINATION share/${PROJECT_NAME}/urdf
)
install(
    DIRECTORY meshes # 如果您有 meshes 資料夾，請確保安裝
    DESTINATION share/${PROJECT_NAME}/meshes
)

並在 package.xml 中確認所有依賴都已聲明，例如 gazebo_ros, robot_state_publisher, rviz2 等。

✅ 總結 ▶

完成這些步驟後，您現在將擁有一個更完整的 ROS 2 Gazebo 模擬環境：

  • URDF 中加入了輪控器、IMU、雷達、相機模擬。
  • RViz 可視化：可顯示模型、雷達、IMU 等。
  • 控制節點：可用鍵盤控制車輛。
  • 啟動腳本：自動載入模型與視覺化環境。

若您需要實際修改您的 URDF 檔案並產出完整的工作範例，或者需要協助產生 package.xml、CMakeLists.txt 等，我可以進一步提供協助。

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