Gazebo 仿真环境系列教程（二）：在 Gazebo 中构建自己的机器人

发布于：2025-06-20 ⋅ 阅读:(13) ⋅ 点赞:(0)

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本文将详细指导您如何在 Gazebo 仿真环境中使用 SDFormat 构建一个简单的两轮机器人。通过本文我们将逐步构建出自己的机器人模型。

一、基础知识介绍

  • SDFormat（Simulation Description Format）：是一种用于描述机器人模拟器、可视化和控制中的对象和环境的 XML 格式。它提供了丰富的标签和属性，用于定义机器人的结构、物理属性和行为。
  • Gazebo：是一个开源的三维机器人仿真器，广泛应用于机器人算法的开发与测试。

二、构建机器人

2.1 创建世界文件

  1. 创建一个新的文件 building_robot.sdf，并复制以下代码：
<?xml version="1.0" ?>
<sdf version="1.10">
    <world name="car_world">
        <physics name="1ms" type="ignored">
            <max_step_size>0.001</max_step_size>
            <real_time_factor>1.0</real_time_factor>
        </physics>
        <plugin
            filename="gz-sim-physics-system"
            name="gz::sim::systems::Physics">
        </plugin>
        <plugin
            filename="gz-sim-user-commands-system"
            name="gz::sim::systems::UserCommands">
        </plugin>
        <plugin
            filename="gz-sim-scene-broadcaster-system"
            name="gz::sim::systems::SceneBroadcaster">
        </plugin>

        <light type="directional" name="sun">
            <cast_shadows>true</cast_shadows>
            <pose>0 0 10 0 0 0</pose>
            <diffuse>0.8 0.8 0.8 1</diffuse>
            <specular>0.2 0.2 0.2 1</specular>
            <attenuation>
                <range>1000</range>
                <constant>0.9</constant>
                <linear>0.01</linear>
                <quadratic>0.001</quadratic>
            </attenuation>
            <direction>-0.5 0.1 -0.9</direction>
        </light>

        <model name="ground_plane">
            <static>true</static>
            <link name="link">
                <collision name="collision">
                    <geometry>
                        <plane>
                            <normal>0 0 1</normal>
                        </plane>
                    </geometry>
                </collision>
                <visual name="visual">
                    <geometry>
                        <plane>
                            <normal>0 0 1</normal>
                            <size>100 100</size>
                        </plane>
                    </geometry>
                    <material>
                        <ambient>0.8 0.8 0.8 1</ambient>
                        <diffuse>0.8 0.8 0.8 1</diffuse>
                        <specular>0.8 0.8 0.8 1</specular>
                    </material>
                </visual>
            </link>
        </model>
    </world>
</sdf>

该代码创建了一个空的世界，其中包含一个地面平面和一盏太阳光。

2.2 构建机器人模型

2.2.1 定义模型

在 </model> 标签前添加以下代码，定义机器人的名称和初始位置：

<model name='vehicle_blue' canonical_link='chassis'>
    <pose relative_to='world'>0 0 0 0 0 0</pose>
  • name 是机器人的唯一标识符。
  • canonical_link 是机器人的中心链接，表示机器人的默认参考点。
  • <pose> 标签定义了模型的位置和方向，relative_to 属性指定了参考框架。
2.2.2 定义底盘

在模型标签内添加以下代码，定义机器人的底盘：

<link name='chassis'>
    <pose relative_to='__model__'>0.5 0 0.4 0 0 0</pose>
    <inertial>
        <mass>1.14395</mass>
        <inertia>
            <ixx>0.095329</ixx>
            <ixy>0</ixy>
            <ixz>0</ixz>
            <iyy>0.381317</iyy>
            <iyz>0</iyz>
            <izz>0.476646</izz>
        </inertia>
    </inertial>
    <visual name='visual'>
        <geometry>
            <box>
                <size>2.0 1.0 0.5</size>
            </box>
        </geometry>
        <material>
            <ambient>0.0 0.0 1.0 1</ambient>
            <diffuse>0.0 0.0 1.0 1</diffuse>
            <specular>0.0 0.0 1.0 1</specular>
        </material>
    </visual>
    <collision name='collision'>
        <geometry>
            <box>
                <size>2.0 1.0 0.5</size>
            </box>
        </geometry>
    </collision>
</link>
  • <pose> 定义了底盘相对于模型的偏移位置。
  • <inertial> 定义了底盘的质量和惯性属性。
  • <visual> 定义了底盘的视觉外观，包括形状和颜色。
  • <collision> 定义了底盘的碰撞几何形状。
2.2.3 添加左轮

在底盘标签后添加以下代码，定义机器人的左轮：

<link name='left_wheel'>
    <pose relative_to="chassis">-0.5 0.6 0 -1.5707 0 0</pose>
    <inertial>
        <mass>1</mass>
        <inertia>
            <ixx>0.043333</ixx>
            <ixy>0</ixy>
            <ixz>0</ixz>
            <iyy>0.043333</iyy>
            <iyz>0</iyz>
            <izz>0.08</izz>
        </inertia>
    </inertial>
    <visual name='visual'>
        <geometry>
            <cylinder>
                <radius>0.4</radius>
                <length>0.2</length>
            </cylinder>
        </geometry>
        <material>
            <ambient>1.0 0.0 0.0 1</ambient>
            <diffuse>1.0 0.0 0.0 1</diffuse>
            <specular>1.0 0.0 0.0 1</specular>
        </material>
    </visual>
    <collision name='collision'>
        <geometry>
            <cylinder>
                <radius>0.4</radius>
                <length>0.2</length>
            </cylinder>
        </geometry>
    </collision>
</link>
2.2.4 添加右轮

复制左轮代码，将其修改为右轮：

<link name='right_wheel'>
    <pose relative_to="chassis">-0.5 -0.6 0 -1.5707 0 0</pose>
    <inertial>
        <mass>1</mass>
        <inertia>
            <ixx>0.043333</ixx>
            <ixy>0</ixy>
            <ixz>0</ixz>
            <iyy>0.043333</iyy>
            <iyz>0</iyz>
            <izz>0.08</izz>
        </inertia>
    </inertial>
    <visual name='visual'>
        <geometry>
            <cylinder>
                <radius>0.4</radius>
                <length>0.2</length>
            </cylinder>
        </geometry>
        <material>
            <ambient>1.0 0.0 0.0 1</ambient>
            <diffuse>1.0 0.0 0.0 1</diffuse>
            <specular>1.0 0.0 0.0 1</specular>
        </material>
    </visual>
    <collision name='collision'>
        <geometry>
            <cylinder>
                <radius>0.4</radius>
                <length>0.2</length>
            </cylinder>
        </geometry>
    </collision>
</link>
2.2.5 添加万向轮

添加以下代码，定义机器人的万向轮：

<frame name="caster_frame" attached_to='chassis'>
    <pose>0.8 0 -0.2 0 0 0</pose>
</frame>

<link name='caster'>
    <pose relative_to='caster_frame'/>
    <inertial>
        <mass>1</mass>
        <inertia>
            <ixx>0.016</ixx>
            <ixy>0</ixy>
            <ixz>0</ixz>
            <iyy>0.016</iyy>
            <iyz>0</iyz>
            <izz>0.016</izz>
        </inertia>
    </inertial>
    <visual name='visual'>
        <geometry>
            <sphere>
                <radius>0.2</radius>
            </sphere>
        </geometry>
        <material>
            <ambient>0.0 1 0.0 1</ambient>
            <diffuse>0.0 1 0.0 1</diffuse>
            <specular>0.0 1 0.0 1</specular>
        </material>
    </visual>
    <collision name='collision'>
        <geometry>
            <sphere>
                <radius>0.2</radius>
            </sphere>
        </geometry>
    </collision>
</link>
2.2.6 连接各个部件（关节）

在模型标签内添加以下代码，定义关节连接：

<joint name='left_wheel_joint' type='revolute'>
    <pose relative_to='left_wheel'/>
    <parent>chassis</parent>
    <child>left_wheel</child>
    <axis>
        <xyz expressed_in='__model__'>0 1 0</xyz>
        <limit>
            <lower>-1.79769e+308</lower>
            <upper>1.79769e+308</upper>
        </limit>
    </axis>
</joint>

<joint name='right_wheel_joint' type='revolute'>
    <pose relative_to='right_wheel'/>
    <parent>chassis</parent>
    <child>right_wheel</child>
    <axis>
        <xyz expressed_in='__model__'>0 1 0</xyz>
        <limit>
            <lower>-1.79769e+308</lower>
            <upper>1.79769e+308</upper>
        </limit>
    </axis>
</joint>

<joint name='caster_wheel' type='ball'>
    <parent>chassis</parent>
    <child>caster</child>
</joint>
  • revolute 关节用于连接车轮和底盘，允许旋转运动。
  • ball 关节用于连接万向轮。

四、完整代码

以下是完整的 SDF 文件内容：

<?xml version="1.0" ?>
<sdf version="1.10">
    <world name="car_world">
        <physics name="1ms" type="ignored">
            <max_step_size>0.001</max_step_size>
            <real_time_factor>1.0</real_time_factor>
        </physics>
        <plugin
            filename="gz-sim-physics-system"
            name="gz::sim::systems::Physics">
        </plugin>
        <plugin
            filename="gz-sim-user-commands-system"
            name="gz::sim::systems::UserCommands">
        </plugin>
        <plugin
            filename="gz-sim-scene-broadcaster-system"
            name="gz::sim::systems::SceneBroadcaster">
        </plugin>

        <light type="directional" name="sun">
            <cast_shadows>true</cast_shadows>
            <pose>0 0 10 0 0 0</pose>
            <diffuse>0.8 0.8 0.8 1</diffuse>
            <specular>0.2 0.2 0.2 1</specular>
            <attenuation>
                <range>1000</range>
                <constant>0.9</constant>
                <linear>0.01</linear>
                <quadratic>0.001</quadratic>
            </attenuation>
            <direction>-0.5 0.1 -0.9</direction>
        </light>

        <model name="ground_plane">
            <static>true</static>
            <link name="link">
                <collision name="collision">
                    <geometry>
                        <plane>
                            <normal>0 0 1</normal>
                        </plane>
                    </geometry>
                </collision>
                <visual name="visual">
                    <geometry>
                        <plane>
                            <normal>0 0 1</normal>
                            <size>100 100</size>
                        </plane>
                    </geometry>
                    <material>
                        <ambient>0.8 0.8 0.8 1</ambient>
                        <diffuse>0.8 0.8 0.8 1</diffuse>
                        <specular>0.8 0.8 0.8 1</specular>
                    </material>
                </visual>
            </link>
        </model>

        <model name='vehicle_blue' canonical_link='chassis'>
            <pose relative_to='world'>0 0 0 0 0 0</pose>

            <link name='chassis'>
                <pose relative_to='__model__'>0.5 0 0.4 0 0 0</pose>
                <inertial>
                    <mass>1.14395</mass>
                    <inertia>
                        <ixx>0.095329</ixx>
                        <ixy>0</ixy>
                        <ixz>0</ixz>
                        <iyy>0.381317</iyy>
                        <iyz>0</iyz>
                        <izz>0.476646</izz>
                    </inertia>
                </inertial>
                <visual name='visual'>
                    <geometry>
                        <box>
                            <size>2.0 1.0 0.5</size>
                        </box>
                    </geometry>
                    <material>
                        <ambient>0.0 0.0 1.0 1</ambient>
                        <diffuse>0.0 0.0 1.0 1</diffuse>
                        <specular>0.0 0.0 1.0 1</specular>
                    </material>
                </visual>
                <collision name='collision'>
                    <geometry>
                        <box>
                            <size>2.0 1.0 0.5</size>
                        </box>
                    </geometry>
                </collision>
            </link>

            <link name='left_wheel'>
                <pose relative_to="chassis">-0.5 0.6 0 -1.5707 0 0</pose>
                <inertial>
                    <mass>1</mass>
                    <inertia>
                        <ixx>0.043333</ixx>
                        <ixy>0</ixy>
                        <ixz>0</ixz>
                        <iyy>0.043333</iyy>
                        <iyz>0</iyz>
                        <izz>0.08</izz>
                    </inertia>
                </inertial>
                <visual name='visual'>
                    <geometry>
                        <cylinder>
                            <radius>0.4</radius>
                            <length>0.2</length>
                        </cylinder>
                    </geometry>
                    <material>
                        <ambient>1.0 0.0 0.0 1</ambient>
                        <diffuse>1.0 0.0 0.0 1</diffuse>
                        <specular>1.0 0.0 0.0 1</specular>
                    </material>
                </visual>
                <collision name='collision'>
                    <geometry>
                        <cylinder>
                            <radius>0.4</radius>
                            <length>0.2</length>
                        </cylinder>
                    </geometry>
                </collision>
            </link>

            <link name='right_wheel'>
                <pose relative_to="chassis">-0.5 -0.6 0 -1.5707 0 0</pose>
                <inertial>
                    <mass>1</mass>
                    <inertia>
                        <ixx>0.043333</ixx>
                        <ixy>0</ixy>
                        <ixz>0</ixz>
                        <iyy>0.043333</iyy>
                        <iyz>0</iyz>
                        <izz>0.08</izz>
                    </inertia>
                </inertial>
                <visual name='visual'>
                    <geometry>
                        <cylinder>
                            <radius>0.4</radius>
                            <length>0.2</length>
                        </cylinder>
                    </geometry>
                    <material>
                        <ambient>1.0 0.0 0.0 1</ambient>
                        <diffuse>1.0 0.0 0.0 1</diffuse>
                        <specular>1.0 0.0 0.0 1</specular>
                    </material>
                </visual>
                <collision name='collision'>
                    <geometry>
                        <cylinder>
                            <radius>0.4</radius>
                            <length>0.2</length>
                        </cylinder>
                    </geometry>
                </collision>
            </link>

            <frame name="caster_frame" attached_to='chassis'>
                <pose>0.8 0 -0.2 0 0 0</pose>
            </frame>

            <link name='caster'>
                <pose relative_to='caster_frame'/>
                <inertial>
                    <mass>1</mass>
                    <inertia>
                        <ixx>0.016</ixx>
                        <ixy>0</ixy>
                        <ixz>0</ixz>
                        <iyy>0.016</iyy>
                        <iyz>0</iyz>
                        <izz>0.016</izz>
                    </inertia>
                </inertial>
                <visual name='visual'>
                    <geometry>
                        <sphere>
                            <radius>0.2</radius>
                        </sphere>
                    </geometry>
                    <material>
                        <ambient>0.0 1 0.0 1</ambient>
                        <diffuse>0.0 1 0.0 1</diffuse>
                        <specular>0.0 1 0.0 1</specular>
                    </material>
                </visual>
                <collision name='collision'>
                    <geometry>
                        <sphere>
                            <radius>0.2</radius>
                        </sphere>
                    </geometry>
                </collision>
            </link>

            <joint name='left_wheel_joint' type='revolute'>
                <pose relative_to='left_wheel'/>
                <parent>chassis</parent>
                <child>left_wheel</child>
                <axis>
                    <xyz expressed_in='__model__'>0 1 0</xyz>
                    <limit>
                        <lower>-1.79769e+308</lower>
                        <upper>1.79769e+308</upper>
                    </limit>
                </axis>
            </joint>

            <joint name='right_wheel_joint' type='revolute'>
                <pose relative_to='right_wheel'/>
                <parent>chassis</parent>
                <child>right_wheel</child>
                <axis>
                    <xyz expressed_in='__model__'>0 1 0</xyz>
                    <limit>
                        <lower>-1.79769e+308</lower>
                        <upper>1.79769e+308</upper>
                    </limit>
                </axis>
            </joint>

            <joint name='caster_wheel' type='ball'>
                <parent>chassis</parent>
                <child>caster</child>
            </joint>
        </model>
    </world>
</sdf>

五、启动运行机器人世界

  1. 将上述完整代码保存为 building_robot.sdf 文件。
  2. 打开终端，导航到文件所在目录。
  3. 运行以下命令启动 Gazebo 模拟器：
gz sim building_robot.sdf

运行结果如下：

在这里插入图片描述

如上图所示，该世界包含一个底盘和两个轮子的机器人模型。可以通过 Gazebo 的界面工具进行进一步的交互和测试。通过以上步骤，我们已成功构建了一个简单的两轮机器人模型。后续可以继续探索如何为机器人添加更多的功能和特性。

参考文献

Gazebo Tutorials

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