【gazebo要素4】传感器插件（Velodyne）

发布于：2023-01-19 ⋅ 阅读:(545) ⋅ 点赞:(0)

一、提要

        欢迎来到中级模块！本模块将指导您完成创建新模拟功能并将该功能贡献给 Gazebo 的过程。

        我们基础知识需要： Gazebo 、Linux。我们还假设您是一位专业的教程阅读者（仔细、完整地阅读所有内容）。

        在本系列教程中，我们将创建一个 Velodyne HDL-32 LiDAR，我们将逐步完成

  1. 创建 HDL-32 传感器的 SDF 模型，
  2. 将模型贡献给 Gazebo 的模型数据库，
  3. 改善模型的外观和数据输出，
  4. 使用插件控制模型，以及
  5. 在 Gazebo 和 RViz 中可视化传感器数据。

        上述每个主题都将有专门的教程解说。本教程的 重点是 Velodyne SDF 模型的创建。

二、生成模型

        创建新模型的第一步是收集有关模型的信息。在这种情况下，Velodyne 激光雷达公司在其网站 Velodyne 的 HDL-32E 环绕激光雷达传感器 | 上提供了有关其传感器的文档。 Velodyne 激光雷达。如果没有关于模型的详细信息，那么您可以测量物理版本，询问制造商的规格，或者在最坏的情况下猜测。

        根据 Velodyne 文档，我们将创建一个传感器，该传感器具有：

  1. 底部圆柱体和顶部圆柱体，顶部圆柱体在其中旋转，以及
  2. 一组垂直扇形定向的激光射线。

2.1 Step 1: 生成基座的 SDF模型

  1. 生成新文件.

    cd
gedit velodyne.world

  2. 使用地平面和灯光填充世界文件：

    <?xml version="1.0" ?>
<sdf version="1.5">
  <world name="default">

    <!-- A global light source -->
    <include>
      <uri>model://sun</uri>
    </include>

    <!-- A ground plane -->
    <include>
      <uri>model://ground_plane</uri>
    </include>
  </world>
</sdf>

  3. 接下来，我们将 Velodyne LiDAR 的基础知识添加到 SDF 世界文件中。我们将使用 Velodyne 传感器尺寸来构建一个基圆柱体和一个顶部圆柱体。下面是 Velodyne 2D 绘图的屏幕截图。

  1. 将以下内容复制到 SDF 世界文件中，直接位于 </world> 标记之前。

    <model name="velodyne_hdl-32">
  <!-- Give the base link a unique name -->
  <link name="base">

    <!-- Offset the base by half the lenght of the cylinder -->
    <pose>0 0 0.029335 0 0 0</pose>
    <collision name="base_collision">
      <geometry>
        <cylinder>
          <!-- Radius and length provided by Velodyne -->
          <radius>.04267</radius>
          <length>.05867</length>
        </cylinder>
      </geometry>
    </collision>

    <!-- The visual is mostly a copy of the collision -->
    <visual name="base_visual">
      <geometry>
        <cylinder>
          <radius>.04267</radius>
          <length>.05867</length>
        </cylinder>
      </geometry>
    </visual>
  </link>

  <!-- Give the base link a unique name -->
  <link name="top">

    <!-- Vertically offset the top cylinder by the length of the bottom
        cylinder and half the length of this cylinder. -->
    <pose>0 0 0.095455 0 0 0</pose>
    <collision name="top_collision">
      <geometry>
        <cylinder>
          <!-- Radius and length provided by Velodyne -->
          <radius>0.04267</radius>
          <length>0.07357</length>
        </cylinder>
      </geometry>
    </collision>

    <!-- The visual is mostly a copy of the collision -->
    <visual name="top_visual">
      <geometry>
        <cylinder>
          <radius>0.04267</radius>
          <length>0.07357</length>
        </cylinder>
      </geometry>
    </visual>
  </link>
</model>

  2. 在构建新模型时，定期尝试小的更改是个好主意。启动 Gazebo 已暂停，以便您可以在物理引擎不改变模型姿势的情况下查看模型。还有一些其他图形工具可以帮助开发过程，我们将在本教程的过程中介绍这些工具。

  3. 暂停运行 Velodyne 世界（-u 参数）。

    cd
gazebo velodyne.world -u

  4. 默认情况下，您会在模型中看到 <visual> 元素，这些元素定义了模型的外观。另一方面，<collision> 元素定义了模型在与其他模型碰撞时的行为方式。要查看和调试 <collision> 元素，请右键单击模型，然后选择“查看”->“碰撞”。现在试试这个，你应该会看到两个橙色圆柱体（由于它们的距离很近，看起来像一个圆柱体）。

2.2 Step 2: 添加惯性

        此时，我们的 Velodyne 模型缺少惯性矩等动态属性。物理引擎使用惯性信息来计算模型在受力时的行为方式。具有不正确或没有惯性值的模型将以奇怪的方式表现。

       1）首先可视化当前的惯性值。在 Gazebo 运行时，右键单击 Velodyne 并选择 View->Inertia。这将导致出现两个紫色框。

通常，每个紫色框应与与其关联的链接的大小大致匹配。您会注意到当前的惯性框非常大，这是由于我们的模型缺少惯性信息。

  1. 我们可以通过指定质量和惯性矩阵来为链接添加惯性。我们将质量基于 Velodyne 的指定质量，即 1.3 千克，并给予基本链接多数（此分布是我们的猜测）。惯性矩矩阵可以使用维基百科上的方程计算。

    以下是基础链接的惯性值。将 <inertial> 块复制到指定位置。

    <model name="velodyne_hdl-32">
  <link name="base">
    <pose>0 0 0.029335 0 0 0</pose>
    <inertial>
      <mass>1.2</mass>
      <inertia>
        <ixx>0.001087473</ixx>
        <iyy>0.001087473</iyy>
        <izz>0.001092437</izz>
        <ixy>0</ixy>
        <ixz>0</ixz>
        <iyz>0</iyz>
      </inertia>
    </inertial>

    接下来为顶部链接添加惯性值。将以下 <惯性> 块复制到指定位置。

     <link name="top">
   <pose>0 0 0.095455 0 0 0</pose>
   <inertial>
     <mass>0.1</mass>
     <inertia>
       <ixx>0.000090623</ixx>
       <iyy>0.000090623</iyy>
       <izz>0.000091036</izz>
       <ixy>0</ixy>
       <ixz>0</ixz>
       <iyz>0</iyz>
     </inertia>
   </inertial>

  2. 有了惯性值，可视化应该类似于下图。

        在模型创建过程的这一点上，您应该拥有一个具有正确视觉、碰撞和惯性属性的模型。我们现在将移动到关节。

2.3 Step 3: 加入关节

        关节定义链接之间的约束。在机器人领域，最常见的关节类型是旋转的。旋转关节定义了两个连杆之间的单个旋转自由度。可以在 SDF 网站上找到完整的关节列表。

        当然，可以可视化关节。运行 Gazebo 时，右键单击模型，然后选择查看 -> 关节。关节通常位于模型内，因此您可能必须使模型透明才能看到关节可视化（右键单击模型并选择查看->透明）。

  1. 我们首先必须在 Velodyne 模型中添加一个关节。关节将是旋转的，因为顶部连杆将相对于基本连杆旋转。

  2. 打开 SDF 世界，并在 </model> 标签前添加一个旋转关节。

    <!-- Each joint must have a unique name -->
<joint type="revolute" name="joint">

  <!-- Position the joint at the bottom of the top link -->
  <pose>0 0 -0.036785 0 0 0</pose>

  <!-- Use the base link as the parent of the joint -->
  <parent>base</parent>

  <!-- Use the top link as the child of the joint -->
  <child>top</child>

  <!-- The axis defines the joint's degree of freedom -->
  <axis>

    <!-- Revolve around the z-axis -->
    <xyz>0 0 1</xyz>

    <!-- Limit refers to the range of motion of the joint -->
    <limit>

      <!-- Use a very large number to indicate a continuous revolution -->
      <lower>-10000000000000000</lower>
      <upper>10000000000000000</upper>
    </limit>
  </axis>
</joint>

  3. 运行 SDF 世界，暂停并可视化关节。

  1. gazebo velodyne.world -u
  2. 右键点击 model并选 View->Joints
  3. 右键点击 model并选  View->Transparent

  1. 我们还可以使用 Joint Command 图形工具验证关节是否正确旋转。拖动主窗口上打开的右侧面板，然后选择 Velodyne 模型。

  3. 使用此小部件中的“力”选项卡向关节施加较小的力，0.001 即可。取消暂停世界，您应该会看到可视化关节开始围绕模型的 Z 轴旋转。

        至此，我们有了一个具有有效惯性、碰撞和关节属性的 Velodyne 模型。在下一节中，我们将介绍模型的最后一部分，即传感器的添加。

2.4 Step 4: 添加 sensor

        传感器用于从环境或模型生成数据。在本节中，我们将为 Velodyne 模型添加一个光线传感器。 Gazebo 中的射线传感器由一个或多个光束组成，这些光束会产生距离和潜在的强度数据。

        一个射线传感器由一个 <scan> 和一个 <range> SDF 元素组成。 <scan> 元素定义光束的布局和数量，<range> 元素定义单个光束的属性。

        <scan> 元素中包含 <horizo​​ntal> 和 <vertical> 元素。 <horizo​​ntal> 组件定义在水平平面中散开的光线，<vertical> 组件定义在垂直平面中散开的光线。

        Velodyne 传感器需要垂直射线，然后旋转。我们将其模拟为旋转的水平风扇。我们采用这种方法是因为在 Gazebo 中可视化数据会更容易一些。 Velodyne 规范表明 HDL-32 有 32 条射线，垂直视场介于 +10.67 和 -30.67 度之间。

  1. 我们将光线传感器添加到顶部链接。将以下内容复制到
<link name="top"> 元素，在velodyne.world文件内

  2. <!-- Add a ray sensor, and give it a name -->
<sensor type="ray" name="sensor">

  <!-- Position the ray sensor based on the specification. Also rotate
       it by 90 degrees around the X-axis so that the <horizontal> rays
       become vertical -->
  <pose>0 0 -0.004645 1.5707 0 0</pose>

  <!-- Enable visualization to see the rays in the GUI -->
  <visualize>true</visualize>

  <!-- Set the update rate of the sensor -->
  <update_rate>30</update_rate>
</sensor>

  3. 接下来，我们将添加 <ray> 元素，它定义了 <scan> 和 <range> 元素。将以下 SDF 放在 <sensor> 元素中（直接在 <update_rate> 元素下方效果很好）。

    <ray>

  <!-- The scan element contains the horizontal and vertical beams.
       We are leaving out the vertical beams for this tutorial. -->
  <scan>

    <!-- The horizontal beams -->
    <horizontal>
      <!-- The velodyne has 32 beams(samples) -->
      <samples>32</samples>

      <!-- Resolution is multiplied by samples to determine number of
           simulated beams vs interpolated beams. See:
           http://sdformat.org/spec?ver=1.6&elem=sensor#horizontal_resolution
           -->
      <resolution>1</resolution>

      <!-- Minimum angle in radians -->
      <min_angle>-0.53529248</min_angle>

      <!-- Maximum angle in radians -->
      <max_angle>0.18622663</max_angle>
    </horizontal>
  </scan>

  <!-- Range defines characteristics of an individual beam -->
  <range>

    <!-- Minimum distance of the beam -->
    <min>0.05</min>

    <!-- Maximum distance of the beam -->
    <max>70</max>

    <!-- Linear resolution of the beam -->
    <resolution>0.02</resolution>
  </range>
</ray>

  4. 再次启动模拟，您应该可以看到 32 个传感器光束在没有暂停时。

后续操作

        现在我们有了 Velodyne LiDAR 模型，我们可以通过三种方式对其进行改进：

  • 添加 3D 网格以改善视觉外观
  • 添加传感器噪声以提高数据真实性
  • 添加一个插件来控制传感器。

        第一个改进将在其它教程中解决。

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