【ROS-Gazebo】SDF的建模与使用_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 SDF建模的三种方法

我使用过的SDF建模方法有三种：

利用Gazebo模型编辑器建模，保存即可得到SDF文件；
从零开始编写一个新的SDF文件，并导入个性化的网格模型；
借用solidworks_urdf插件，获取网格模型和相关参数，填充到SDF框架中；

三种方法的难度（坑度）也是依次递增。新手建议使用前两种方法。如果你已经十分熟悉urdf格式，并有solidworks基础，可以使用第三种方法，有助于建立结构复杂的模型。

1.1 Gazebo模型编辑器

如果你刚开始学习Gazebo，使用的模型比较简单（例如四轮小车、双关节机械臂），就可以使用Gazebo自带的模型编辑器，如图1所示。可以看到，界面的左上角展示了三种可用的基本模型：圆柱体、球体、长方体。也就是说，由模型编辑器直接创建的模型，只能是这些基本形状的组合。建模完毕后，保存即可得到.sdf模型文件和.config配置文件。

图1 Gazebo模型编辑器

关于模型编辑器的使用，Gazebo官方提供了详实的教程。以一个四轮小车为例，讲解了建模的基本操作方法。官方教程的连接如下：

官方教程：模型编辑器

【ROS-Gazebo】SDF的建模与使用

图2 使用模型编辑器建立的四轮小车

1.2 手动编写与导入法

除了直接使用模型编辑器外，也可自行从零开始编写.sdf模型文件和.config配置文件。官方同样提供了详尽的教程。以三轮小车为例演示了模型编写过程，链接如下：

官方教程：编写SDF模型

如果在模型可视化或碰撞检测中使用自定义的.dae网格文件，则需要同时参考下面的教程：

官方教程：链接网格模型

建模过程中建议随时查询SDF规范文档：

SDF规范文档

另外，有时候我们需要导入一个非机器人的外部模型。例如导入一个外部障碍物，用以测试机器人的避障功能，此时可以将.dae文件直接添加到.world文件中，不需要单独建立.sdf模型。参考如下教程：

官方教程：直接导入模型到world中

1.3 URDF插件导出与移植法

如果你已经十分熟悉.urdf格式，知道其中位置、惯性、可视化、碰撞等元素的含义，且熟悉solidworks建模方法。那么我推荐你使用sw_urdf_exporter插件来辅助SDF建模。虽然这个插件是用来导出URDF模型的，正如我们在第一篇文章中提到的，URDF和SDF在结构上十分相似（实际上后者就是前者的加强版），因此所导出的网格文件、位置、惯量等参数，都可以很方便地移植到SDF模型中。

这种方法类似于手动编写，好处是不用自行计算各 link、joint 的物理参数，也不用逐个导出各个link的网格模型。

sw_urdf_exporter插件的下载地址如下：

sw_urdf_exporter插件下载

ROS-wiki同样提供了该插件的使用方法。中文网络上似乎也有不少中文版的教程，有需要可以自行搜索。

sw_urdf_exporter使用教程

一张图总结三种方法的特点如下：

图3 三种常用方法的特点与适用情况

2 SDF模型的使用

相比起URDF，在Gazebo加载SDF显得更加方便（所谓“原汤化原食”）。

2.1 加载模型到Gazebo

（1）确保模型处于环境变量所在的目录下

首先，我们要将模型所在的文件夹（其中包含一个.sdf模型文件和一个.config配置文件）放到gazebo环境变量所在的目录下，例如下面的默认目录：

~/.gazebo/models

当然，也可以在~/.bashrc文件中添加更多的gazebo模型的环境变量：

export GAZEBO_MODEL_PATH=/home/user/catkin_ws/src/

其中/home/user/catkin_ws/src/为模型文件夹所在的目录。

（2）建立.world文件

接下来新建一个.world文件，其基本结构如下。只需要将<uri>model://my_model</uri>中的 my_model修改为你的模型名称即可。

<?xml version="1.0" ?>
<sdf version="1.6">
  <world name="my_world">
    <!-- 环境光 -->
    <include>
      <uri>model://sun</uri>
    </include>

    <!-- 地面 -->
    <include>
      <uri>model://ground_plane</uri>
      <script>
        <uri>file://media/materials/scripts/gazebo.material</uri>
        <name>Gazebo/White</name>
      </script>
    </include>
    
    <!--模型 -->
    <model name='model_name'>
      <include>
        <uri>model://my_model</uri>
      </include>
    </model>
    
  </world>
</sdf>

（3）加载.world文件

如果只是想在gazebo中看看效果，直接在命令行中用gazebo命令加载.world文件即可：

gazebo my_world.world

如果想在launch文件中加载.world文件，在launch文件中添加如下代码：

<launch>
  <include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch">
    <arg name="world_name" value="<your_world>/my_world.world"/>
  </include>
</launch>

<your_world>即为world文件所在的完整路径，例如：

<launch>
  <include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch">
    <arg name="world_name" value="~/Documents/my_world.world"/>
  </include>
</launch>

然后用roslaunch启动launch文件即可。

参考资料

[1] Gazebo官方教程

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