URDF模型——阿克曼（Ackermann）四轮小车模型

Github链接：https://github.com/chanchanchan97/ROS

1.模型描述

本项目的目的是创建一个基于阿克曼转向机构（Ackermann steering）的简易四轮小车模型，该模型采用后轮双驱，而前轮在设计时选择独立转向，之后通过算法对两个前轮单独控制，模拟阿克曼转向模型。车体以简单的立方体来表示，并且在前端创建一个小立方体表示摄像头。

2.URDF文件

URDF全称为Unified Robot Description Format（统一机器人描述格式），是一种基于XML规范、用于描述机器人结构的格式。
从机构学角度讲，机器人通常被建模为由连杆（link）和关节（joint）组成的结构。连杆（link）是带有质量属性的刚体，而关节（joint）是连接、限制两个刚体相对运动的结构。通过关节将连杆依次连接起来，就构成了一个个运动链（也就是这里所定义的机器人模型）。URDF文件即描述了这样的一系列关节与连杆的相对关系、惯性属性、几何特点和碰撞模型，简单来说包含了机器人模型的运动学与动力学描述、机器人的几何表示、机器人的碰撞模型。

3.link元素

link元素描述了具有惯性，视觉特征和碰撞特性的刚体。以小车主体部分为例，创建如下的URDF文件内容。

<link name="base_link"> 
	<inertial>
		<origin xyz="0 0 0.055"/>
	  	<mass value="1.0" />
	  	<inertia ixx="${1*(0.16*0.16+0.02*0.02)/12}" ixy="0.0" ixz="0.0" iyy="${1*(0.25*0.25+0.02*0.02)/12}" iyz="0.0" izz="${1*(0.16*0.16+0.25*0.25)/12}"/>
	</inertial>
   	<visual>
   		<origin xyz="0 0 0.055" rpy="0 0 0" />
     		<geometry>  
       		<box size="0.25 0.16 0.02"/>  
     		</geometry>   
     		<material name="blue">  
     			<color rgba="0 0 0.8 1"/>  
     		</material>  
  		</visual>  
  		<collision>
  			<origin xyz="0 0 0.055" rpy="0 0 0" />
     		<geometry>  
       		<box size="0.25 0.16 0.02" />  
     		</geometry>  
   	</collision>
</link>

4.link属性详解

(1)name（必选）
link的名字，可以任意指定，在这里名字为base_link。
(2)inertial（可选）
◆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：如果未指定，默认为零向量）
表示link刚体的重心位置分别在x轴，y轴，z轴方向上的偏移量。
●rpy（可选：如果未指定，则默认为identity）
以弧度表示固定轴的滚动，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指定该矩阵的6个以上对角线元素。
(3)visual(可选)
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(link)可以存在多个visual标记实例。
◆name
指定链接(link)几何的一部分的名称。不常用属性。
◆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：如果未指定，默认为零向量）
表示link刚体的重心位置分别在x轴，y轴，z轴方向上的偏移量，单位米。
●rpy（可选：如果未指定，则默认为identity）
以弧度表示的固定轴滚动，俯仰和偏航角度。
◆geometry（必选）
●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。
●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。
◆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，分别表示红色/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。
(4)collision（可选）
链接(link)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：如果未指定，默认为零向量）
表示link刚体的重心位置分别在x轴，y轴，z轴方向上的偏移量，单位米。
●rpy（可选：如果未指定，则默认为identity）
以弧度表示的固定轴滚动roll，俯仰pitch和偏航yaw角度。
◆geometry
请参阅上述可视元素中的几何描述。

5.joint元素

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。以小车左后轮的关节为例，创建如下的URDF文件内容。

<joint name="left_back_wheel_joint" type="continuous">
	<axis xyz="0 0 1"/>
	<parent link="base_link"/>
	<child link="left_back_wheel"/>
	<origin rpy="0 ${M_PI/2} ${M_PI/2}" xyz="-0.08 0.08 0.025"/>
	<dynamics damping="0.0"/>
	<limit effort="100" velocity="100"/>
	<joint_properties damping="0.0" friction="0.0"/>
</joint>

6.joint属性详解

(1)name（必选）
指定joint的名字（唯一的）
(2)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（可选：如果未指定，则默认为identity）
从parent link到child link的变换，joint位于child link的原点，具体如图所示。
●xyz（可选：如果未指定，默认为零向量）
表示link刚体的重心位置分别在x轴，y轴，z轴方向上的偏移量，单位米。
●rpy（可选：如果未指定，则默认为identity）
以弧度表示的固定轴滚动，俯仰和偏航角度。
◆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: 默认为(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,y,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，默认为0）
joint的阻尼值（移动关节为$\frac{N⋅s}{m}$，旋转关节为$\frac{N⋅m⋅s}{rad}$）
◆friction（可选，默认为0）
joint的摩擦力值（移动关节为$N$，旋转关节为$N⋅m$）
◆limit（只有type为revolute and prismatic时必选）
该元素包含以下属性:
◆lower（可选，默认为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，默认为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|）。
◆velocity（必选）
该属性指定了joint运行时的最大的速度。
◆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，默认为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。
◆soft_upper_limit（可选，默认为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。
◆k_position（可选，默认为0）
本属性用于说明位置和速度之间的关系。
◆k_velocity（必选）
本属性用于说明力和速度之间的关系。

7.Rviz可视化

Rviz是ROS官方提供的一款3D可视化工具，几乎我们需要用到的所有机器人相关数据都可以在Rviz中展现，但是不能模拟碰撞、重力等物理现象。

7.1创建launch文件

创建完URDF文件后，可以通过launch文件在Rviz中查看所创建的模型，launch文件具体内容如下。

<launch>     
	<arg name="model" />      
	<arg name="gui" default="true" />     
	<param name="robot_description" textfile="$(find smartcar_description)/urdf/urdf/smartcar.urdf" />      
	<param name="use_gui" value="$(arg gui)"/>     
	<node name="joint_state_publisher" pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" >
	</node>      
	<node name="robot_state_publisher" pkg="robot_state_publisher" type="state_publisher" />      
	<node name="rviz" pkg="rviz" type="rviz" args="-d $(find smartcar_description)/config/smartcar.rviz" required="true"/>  
</launch>

说明：
◆<arg name=”gui” default=”true” />的作用是使能joint_state_publisher节点的GUI界面，发布各个关节（joint）消息，验证各个关节（joint）功能。

◆启动joint_state_publisher节点和robot_state_publisher节点，joint_state_publisher发布/joint_states话题消息，robot_state_publisher则接收/joint_states话题消息，发布tf变换关系，并由Rviz显示出来。

◆args=”-d $(find smartcar_description)/config/smartcar.rviz”表示加载和保存的Rviz配置文件路径。

7.2启动Rviz

打开一个新的终端，输入以下指令，启动Rviz，查看所创建的模型。

$ roslaunch smartcar_description base_urdf_rviz.launch

说明：
◆若Rviz中没有正确显示模型，首先检查是否添加RobotModel，然后检查Fixed Frame是否为base_link。
◆若在左栏中添加TF，可以显示各个link之间的TF关系。