Turtlebot的描述模型

建立机器人模型应该是进行仿真的第一步工作，因为它将是我们以后开发算法的控制对象。本文中将详细分析Turtlebot的描述模型，以及相关描述文件的组织方式。

在召唤Turtlebot一文中，会看到我们打招呼的Turtlebot的模型被保存在turtlebot_description中robots子目录下的kobuki_hexagons_kinect.urdf.xacro文件中。

$ roscd turtlebot_description/robots/
$ ls | grep kobuki_hexagons_kinect.urdf.xacro
kobuki_hexagons_kinect.urdf.xacro

这个是一个Xacro文件，内容很简单，首先申明了机器人的名称，并告知使用了xacro技术。

        <?xml version="1.0"?>
        <robot name="turtlebot" xmlns:xacro="http://ros.org/wiki/xacro">

接着通过xacro引入了机器人的基本配置，以及底盘kobuki、六边形托盘和双目摄像头kinect的模型描述。

            <xacro:include filename="$(find turtlebot_description)/urdf/turtlebot_common_library.urdf.xacro" />
            <xacro:include filename="$(find kobuki_description)/urdf/kobuki.urdf.xacro" />
            <xacro:include filename="$(find turtlebot_description)/urdf/stacks/hexagons.urdf.xacro"/>
            <xacro:include filename="$(find turtlebot_description)/urdf/sensors/kinect.urdf.xacro"/>

"turtlebot_common_library.urdf.xacro"并没有什么特别之处，它只是定义了圆周率常量M_PI，和不同颜色的材料属性。"hexagons.urdf.xacro"描述了托盘的结构，所有的关节都是fixed，没有可以移动的部分也没有传感器。"kobuki.urdf.xacro"描述的是底盘的构造，它有需要控制的轮子，和陀螺仪等传感器。 "kinect.urdf.xacro"则是双目摄像头的模型。在后续的内容中，我们将详细介绍底盘和Kinect的建模方法以及引入的Gazebo插件。

上面的四个文件都用xacro描述的，可以说是底盘、托盘和双目摄像头的定义，下面则是对它们的实例化。其中"stack_hexagons"和"sensor_kinect"都有一个parent的属性，其值为"base_link"，后面我们会看到它指的是kobuki的基座。

            <kobuki/>
            <stack_hexagons parent="base_link"/>
            <sensor_kinect  parent="base_link"/>
        </robot>

1. kobuki.urdf.xacro

kobuki是Turtlebot默认使用的底盘，它有一套独立的以kobuki_为前缀的技术栈。与turtlebot_description类似，kobuki_description中保存了底盘kobuki的模型描述。右图是折叠后的kobuki.urdf.xacro，总体上可以分为common_properties, kobuki_gazebo和kobuki三个部分。

首先，通过xacro:include引入了描述文件common_properties.urdf.xacro，它与刚刚提到的turtlebot_common_library.urdf.xacro一样定义了圆周率常量，和各种不同颜色的材料属性，没什么特别之处。

然后，引入了描述文件kobuki_gazebo.urdf.xacro，它是对kobuki的仿真配置，在其中描述了各个关节的摩擦系数、控制率。还添加了碰撞、防跌落、陀螺仪等各种控制器。关键是添加了控制kobuki的插件。后续将详细讨论这个文件。

最后，定义了kobki的模型，由5个部分构成：基座base_link、左轮wheel_left_link、右轮wheel_right_link、前万向轮caster_front_link、后万向轮caster_front_link。此外还指定了陀螺仪gyro_link、防跌落传感器cliff_sensor_xxx_link的惯性属性。模型中的各个joint标签则描述了各个link的相对关系，传感器和各种轮子都安装在基座上base_link。其中由于左右轮需要转动，所以它们的类型是"continuous"，其余则都是"fixed"类型的关节。此外，kobuki模型中还定义了一个base_footprint的虚拟部件，基座通过base_joint连接在这个虚拟部件上。这样做主要是为了方便地表示机器人在仿真世界中的移动。

2. kobuki_gazebo.urdf.xacro

右图是折叠之后的kobuki_gazebo.urdf.xacro文件，它为kobuki中除base_footprint外的所有link都添加了一个gazebo标签。其中左右轮和前后万向轮的内容类似，定义了摩擦系数，碰撞刚度和阻尼系数，碰撞深度和速度等参数。

        <gazebo reference="wheel_left_link">
            <mu1>1.0</mu1>
            <mu2>1.0</mu2>
            <kp>1000000.0</kp>
            <kd>100.0</kd>
            <minDepth>0.001</minDepth>
            <maxVel>1.0</maxVel>
        </gazebo>

"base_link"中除了定义了两个摩擦系数外，还添加了一个碰撞传感器，称之为bumper，它用于检测物体之间是否接触上了。这个传感器使用的是Gazebo原生的传感器模型，它实际上是Gazebo中的一个SDF标签。这个标签的属性type指定了传感器的类型，这里是contact；属性name则是为了给传感器一个唯一的名称。其子标签always_on表示传感器是否需要总是按照更新频率更新数据；update_rate子标签则指示了传感器的更新频率； visualize子标签则说明是否在GUI上显示；contact子标签则是对碰撞传感器类型的设置，其子标签collision指定一个用作碰撞传感器的link。

        <gazebo reference="base_link">
            <mu1>0.3</mu1>
            <mu2>0.3</mu2>
            <sensor type="contact" name="bumpers">
              <always_on>1</always_on>
              <update_rate>50.0</update_rate>
              <visualize>true</visualize>
              <contact>
                  <collision>base_footprint_fixed_joint_lump__base_collision</collision>
              </contact>
            </sensor>
        </gazebo>

kobuki有三个防跌落传感器分别位于前、左、右，它们都使用激光传感器ray。我们已经在用SDF文件模拟激光雷达一文中介绍过这个传感器了，这里不再详细解释。与碰撞传感器类似， gyro_link关联了一个imu类型的传感器，它也是一个SDF标签。最后引入了一个控制器插件，这是kobuki_gazebo_plugins包中的一个用C++写的库。在Kobuki控制插件一文中详细解释之。

3. kinect.urdf.xacro

右图为折叠后的kinect.urdf.xacro文件，它引入了两个xacro文件。其中，turtlebot_gazebo.urdf.xacro为turtlebot添加了深度摄像头的传感器，并植入了kinect的控制插件。turtlebot_properties.urdf.xacro文件定义了一些关于kinect的参数。此外定义了参数kinect_cam_py和sensor_kinect的模型。

在turtlebot_properties.urdf.xacro中定义了cam_px, cam_pz, cam_or, cam_op, cam_oy定义了传感器的安装位置和方向。在源文件中还注释了cam_py的定义，取而代之的是在kinect.urdf.xacro中定义的kinect_cam_py。

turtlebot_gazebo.urdf.xacro的内容如下。定义了一个"depth"类型的传感器，并在它的子标签中定义了水平视角horizontal_fov为60°，图像格式为B8G8R8，640×480的像素，以及远近裁剪面。最后添加kinect控制器插件， libgazebo_ros_openni_kinect.so是gazebo_plugins包中的一个动态库。

        <gazebo reference="camera_link">
            <sensor type="depth" name="camera">
                <always_on>true</always_on>
                <update_rate>20.0</update_rate>
                <camera>
                    <horizontal_fov>${60.0*M_PI/180.0}</horizontal_fov>
                    <image>
                        <format>B8G8R8</format>
                        <width>640</width>
                        <height>480</height>
                    </image>
                    <clip>
                        <near>0.05</near>
                        <far>8.0</far>
                    </clip>
                </camera>
                <plugin name="kinect_camera_controller" filename="libgazebo_ros_openni_kinect.so">
                    <cameraName>camera</cameraName>
                    <alwaysOn>true</alwaysOn>
                    <updateRate>10</updateRate>
                    <imageTopicName>rgb/image_raw</imageTopicName>
                    <depthImageTopicName>depth/image_raw</depthImageTopicName>
                    <pointCloudTopicName>depth/points</pointCloudTopicName>
                    <cameraInfoTopicName>rgb/camera_info</cameraInfoTopicName>
                    <depthImageCameraInfoTopicName>depth/camera_info</depthImageCameraInfoTopicName>
                    <frameName>camera_depth_optical_frame</frameName>
                    <baseline>0.1</baseline>
                    <distortion_k1>0.0</distortion_k1>
                    <distortion_k2>0.0</distortion_k2>
                    <distortion_k3>0.0</distortion_k3>
                    <distortion_t1>0.0</distortion_t1>
                    <distortion_t2>0.0</distortion_t2>
                    <pointCloudCutoff>0.4</pointCloudCutoff>
                </plugin>
            </sensor>
        </gazebo>

4. 总结

我们所研究的Turtlebot由三个部分构成：底盘、托盘和3D传感器。

其中底盘由基座、左轮、右轮、前万向轮、后万向轮5个部分构成，并且安装了防跌落、防碰撞的传感器。为了方便在ROS环境中获取底盘的状态、控制底盘，引入了一个kobuki_controller的控制插件。

托盘则没有什么特别之处，都是各种固定的连接。3D传感器则选用的是Kinect，同样的也引入了一个kinect_camera_controller的插件。我们将在后续的文章中介绍这两个插件。