【ROS-Gazebo】ERB：模块化生成SDF模型_人工智能

前言

这是一个系列小文章，主要介绍在ROS-Gazebo中如何更好地使用SDF格式建模与仿真。众所周知，URDF是ROS的原生支持格式，但在某些情况下（尤其是Gazebo仿真时），使用SDF格式会更加合理。鉴于中文网络上几乎没有成体系的SDF介绍博文，因此我将自己在硕士期间关于SDF模型的使用经验稍作总结。如有谬误，还望友好地指出。

本系列规划如下内容，建议按顺序阅读。尤其是第一篇，以确认你是否有必要使用SDF建模：

为什么选择SDF？
SDF规范文档与模型资源
SDF的建模与使用
ERB：模块化生成SDF模型
SDF与URDF的相互转换
基于SDF的多机器人仿真
使用与编写自定义插件——以PID控制插件为例

1 ERB是什么？为什么要使用ERB？

熟悉URDF格式的小伙伴们都知道，我们在编写大型URDF文件时，一般不直接在URDF中操作，而是编写对应的.xacro。xacro可以定义宏变量，并将代码模块化，既减少了代码量，又节省了建模、调试时间。

那么，SDF模型可不可以使用xacro来编写呢？很遗憾，答案是否定的。然而好消息是，SDF也有可以使用的替代方法——嵌入式Ruby（Embedded Ruby），简称ERB。ERB常用来生成Web页面，但也可以用来生成诸如XML、RSS这样的结构化文件。

什么时候需要使用ERB呢？当我们的模型十分庞大复杂，尤其是存在许多相似关节，例如多个车轮的移动机器人、模块化机械臂、对称结构的机器人等，都可以采用ERB方法，既减少了代码量，又可参数化地调整相关变量，十分方便。

下面，我们就来看看怎样使用ERB来编写和生成SDF文件。

2 ERB基本语法

2.1 表达式

形如下面的代码块称为表达式，是由标签和等号组成的封闭代码。表达式用来将代码直接嵌入模板，或将某个变量替换为相应的值。下面的代码将会在渲染时被替换为name变量所代表的内容。

<%= @name %>

2.2 脚本

形如下面的代码块称为脚本，是由标签（而没有等号）组成的不封闭代码。脚本的运行结果将会被插入最终的代码。下面的代码将会执行一个循环，将shopping_list中的所有元素依次插入代码中。

<% for  @item in @shopping_list %>
  <%= @item %>
<% end  %>

默认情况下，每个标签后面都会添加一个换行符。如果不想要换行符，可以通过如下方法抑制换行符：

<% for  @item in @items -%>
  <%= @item %>
<% end  -%>

2.3 注释

用如下方法添加注释：

<%# This is just a comment %>

3 使用ERB生成SDF模型

Gazebo官方模型库中，有一部分模型就是用ERB生成的。这里直接借用一个汽车模型来说明ERB的使用方法。模型的链接和图片如下，这是一个四轮小车：官方模型：cart_front_steerbitbucket.org

首先看看模型文件夹中有哪些内容，其中model.config和model.sdf分别是配置信息和模型文件，是SDF模型中必须存在的两个文件。model.rsdf 是为了模块化生成SDF而建立的ERB代码文件，也就是说，我们的操作对象是model.rsdf，而不是model.sdf。

【ROS-Gazebo】ERB：模块化生成SDF模型图1 常用模型文件夹中的内容

对照.rsdf和.sdf文件，可以看到ERB语法在建模中主要有两种用法：表达式嵌入变量、脚本嵌入代码块。嵌入变量可以减少我们后期参数调试的工作量，嵌入代码块可以减少模型的代码量。

3.1 用表达式嵌入变量

在.rsdf中，首先用一个不封闭的标签<% %>定义需要用到的值。可以看到，数值既可以定义为常量，也可以定义为变量表达式。在示例代码中，位置坐标定义为常量，惯量定义为变量表达式：

<%
...
  # Geometry
  chassis_dx   = 1.0
...
  # inertia
  chassis_ixx  = chassis_mass/12.0 * (chassis_dy**2 + chassis_dz**2)
...
%>

在接下来开始写模型的代码，用表达式<%= name %>的形式嵌入了先前定义的变量。如下代码嵌入了惯性矩阵在xx方向的元素：

...
<inertia>
          <ixx><%= chassis_ixx %></ixx>
...

3.2 用脚本嵌入代码块

除了直接嵌入变量外，还可以用脚本嵌入代码块。尤其是使用循环脚本，可以生成大量相似的link和joint。

首先还是在文件开头的不封闭的标签<% %>中定义了前轮和后轮的位置：

<%
...
  wheel_x0     = chassis_dx*0.5
  wheel_y0     = chassis_dy*0.5 + wheel_width*0.6
...  
  front_wheel_locations = {
    "front_left"  => {:x0 => wheel_x0, :y0 => wheel_y0 },
    "front_right" => {:x0 => wheel_x0, :y0 => -wheel_y0 },
  }
  rear_wheel_locations = {
    "rear_left"   => {:x0 => -wheel_x0, :y0 => wheel_y0 },
    "rear_right"  => {:x0 => -wheel_x0, :y0 => -wheel_y0 },
  }
...
%>

接下来在模型代码中使用了2个each..do..循环，分别创建了两个前轮和后轮的link和joint。下面展示了创建前轮的循环：

    <%
      front_wheel_locations.keys.each do |k|
        x0 = front_wheel_locations[k][:x0]
        y0 = front_wheel_locations[k][:y0]
    %>
    <%= "<link name=" + '"wheel_' + k + '">' %>
      <pose><%= x0 %> <%= y0 %>
...
    <%= "<joint name=" + '"wheel_' + k + '_steer_spin" type="universal">' %>
...
    <% end %>

从model.sdf文件中对照，可以看到上述代码分别创建了wheel_front_left、wheel_front_right两个link，以及wheel_front_left_steer_spin和wheel_front_left_steer_spin两个joint。