[ROS 系列学习教程] 建模与仿真

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ROS 系列学习教程(总目录)

本文目录

一、属性与属性块
二、数学表达式
三、宏
- 3.1 宏的基本使用
- 3.2 属性块做为宏的入参
- 3.3 任意数量元素做为宏的入参
- 3.4 指定多个块元素的处理顺序
- 3.5 宏嵌套
- 3.6 默认参数
- 3.7 局部属性
四、Rospack 命令
五、包含其他 xacro 文件
六、条件语句
七、YAML 支持
八、从 CMakeLists.txt 构建
九、处理顺序
十、调试语法错误

可以发现 urdf 不支持模块化编程，无法实现代码复用，也不支持数学计算，代码可读性及复用性非常差，效率极低。

为了解决这一问题，ROS提供了 Xacro ，它是 XML Macros 的缩写，即 XML 宏，是可编程的 XML，支持使用变量、函数、数学公式计算、条件/循环流程控制等。

使用 Xacro 时，根标签 robot 中必须包含命名空间声明 xmlns:xacro = "http://wiki.ros.org/xacro"

<robot name = "xxx" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
	...
</robot>

一、属性与属性块

属性可以理解为变量，属性块可以理解为结构体。

属性示例，将会一个圆柱体的半径和高封装到变量里：

<!-- 定义属性 -->
<xacro:property name="the_radius" value="2.1" />
<xacro:property name="the_length" value="4.5" />

<!-- 调用属性 -->
<geometry type="cylinder" radius="${the_radius}" length="${the_length}" />

同样，可以使用属性块封装一个实体，在需要的地方调用：

<!-- 定义属性块 -->
<xacro:property name="front_left_origin">
  	<origin xyz="0.3 0 0" rpy="0 0 0" />
</xacro:property>

<pr2_wheel name="front_left_wheel">
    <!-- 调用属性块 -->
  	<xacro:insert_block name="front_left_origin" />
</pr2_wheel>

二、数学表达式

Xacro支持基本的数学表达式运算，格式如下：

${ 数学表达式 }

示例如下：

<xacro:property name="radius" value="4.3" />
<circle diameter="${2 * radius}" />

在ROS Jade版本中，Xacro引入了python解析数学表达式，所以，Xacro数学表达式中可以使用Python math包中的函数与常量。示例如下：

<xacro:property name="R" value="2" />
<xacro:property name="alpha" value="${30/180*pi}" />
<circle circumference="${2 * pi * R}" pos="${sin(alpha)} ${cos(alpha)}" />
<limit lower="${radians(-90)}" upper="${radians(90)}" effort="0" velocity="${radians(75)}" />

三、宏

Xacro 宏可以理解为函数，目的是提高代码复用率，优化代码结构，提高安全性。

使用 macro 标记定义宏，并指定宏名称和参数列表，参数列表应以空格分隔。

3.1 宏的基本使用

<!-- 定义宏 -->
<xacro:macro name="add_wheels" params="name flag">
    <link name="${name}_wheel">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="${wheel_radius}" length="${wheel_length}" />
            </geometry>
            <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="${PI / 2} 0.0 0.0" />
            <material name="black" />
        </visual>
    </link>

    <joint name="${name}_wheel2base_link" type="continuous">
        <parent link="base_link" />
        <child link="${name}_wheel" />
        <origin xyz="0 ${flag * base_link_radius} ${-(earth_space + base_link_length / 2 - wheel_radius) }" />
        <axis xyz="0 1 0" />
    </joint>
</xacro:macro>

<!-- 调用宏 -->
<xacro:add_wheels name="left" flag="1" />
<xacro:add_wheels name="right" flag="-1" />

该实例定义了一个 add_wheels 的宏，它接受两个参数： name 和 flag ，分别是轮子的名字和方向。

3.2 属性块做为宏的入参

<!-- 定义宏 -->
<xacro:macro name="pr2_caster" params="suffix *origin">
    <joint name="caster_${suffix}_joint">
        <axis xyz="0 0 1" />
    </joint>
    <link name="caster_${suffix}">
        <xacro:insert_block name="origin" />
    </link>
</xacro:macro>

<!-- 调用宏 -->
<xacro:pr2_caster suffix="front_left">
    <pose xyz="0 1 0" rpy="0 0 0" />
</xacro:pr2_caster>

该示例声明了一个宏 pr2_caster，它接受两个参数： suffix 和 origin。请注意， origin 带 * 。这表明 origin 是一个块参数。调用时在子级标签中声名块参数，多个块参数时，按插入顺序处理，如下：

<!-- 定义宏 -->
<xacro:macro name="pr2_caster" params="suffix *origin *color *mass">
    <joint name="caster_${suffix}_joint">
        <axis xyz="0 0 1" />
    </joint>
    <link name="caster_${suffix}">
        <xacro:insert_block name="origin" />        
        <xacro:insert_block name="color" />        
        <xacro:insert_block name="mass" />
    </link>
</xacro:macro>

<!-- 调用宏 -->
<xacro:pr2_caster suffix="front_left">
    <pose xyz="0 1 0" rpy="0 0 0" /> <!-- origin -->
    <color name="yellow"/> <!-- color -->
    <mass>0.1</mass> <!-- mass -->
</xacro:pr2_caster>

3.3 任意数量元素做为宏的入参

<!-- 定义宏 -->
<xacro:macro name="pr2_caster" params="suffix *origin **content **anothercontent">
    <joint name="caster_${suffix}_joint">
        <axis xyz="0 0 1" />
    </joint>
    <link name="caster_${suffix}">
        <xacro:insert_block name="origin" />
        <xacro:insert_block name="content" />
        <xacro:insert_block name="anothercontent" />
    </link>
</xacro:macro>

<!-- 调用宏 -->
<xacro:pr2_caster suffix="front_left">
    <!-- origin -->
    <pose xyz="0 1 0" rpy="0 0 0" />
    <!-- content -->
    <container>
        <color name="yellow"/>
        <mass>0.1</mass>
    </container>
    <!-- anothercontent -->
    <another>
        <inertial>
            <origin xyz="0 0 0.5" rpy="0 0 0"/>
            <mass value="1"/>
            <inertia ixx="100"  ixy="0"  ixz="0" iyy="100" iyz="0" izz="100" />
        </inertial>
    </another>
</xacro:pr2_caster>

该示例声明了一个宏 pr2_caster，除了前文讲到的参数 suffix 和 origin，还有content和anothercontent，他们前面都带**，表明他们允许插入任意数量的元素。按照块元素插入顺序，他们分别为 container 和 another，在他们的子级可以插入任意数量的元素。

3.4 指定多个块元素的处理顺序

上文宏定义中 xacro:insert_block 用于指定插入的块元素，插入的顺序即处理顺序

<!-- 定义宏 -->
<xacro:macro name="reorder" params="*first *second">
    <xacro:insert_block name="second"/>
    <xacro:insert_block name="first"/>
</xacro:macro>

<!-- 调用宏 -->
<xacro:reorder>
    <first/>
    <second/>
</xacro:reorder>

处理顺序为 second -> first

3.5 宏嵌套

宏嵌套即一个宏内调用其他宏，这种宏在被调用时，各宏从外部到内部依次处理。

<!-- 定义宏 foo -->
<xacro:macro name="foo" params="x">
    <in_foo the_x="${x}" />
</xacro:macro>

<!-- 定义宏 bar -->
<xacro:macro name="bar" params="y">
    <in_bar>
        <xacro:foo x="${y}" />
    </in_bar>
</xacro:macro>

<!-- 调用宏 bar -->
<xacro:bar y="12" />

调用宏bar并传入12，先展开宏bar，再展开宏foo，如下：

<in_bar>
    <in_foo the_x="12" />
</in_bar>

3.6 默认参数

宏的入参可以有默认值，如下使用海象运算符 := ：

<xacro:macro name="foo" params="x:=${x} y:=${2*y} z:=0"/>

如果默认值包含表达式，则它们将在实例化时进行计算。

<xacro:macro name="foo" params="p1 p2:=expr_a p3:=^ p4:=^|expr_b">

符号 ^ 表示使用外部属性的值（具有相同名称）。管道 | 表示如果属性未在外部范围中定义，则使用给定的后备值。

3.7 局部属性

在宏中定义的属性和宏是该宏的局部属性和宏，即在外部不可见。使用可选字段 scope="parent | global"，可以将属性定义导出到宏的父范围（或全局范围）。

四、Rospack 命令

Xacro 允许使用某些 rospack 命令：

<foo value="$(find xacro)" />
<foo value="$(arg myvar)" />

五、包含其他 xacro 文件

可以使用 xacro:include 标签包含其他 xacro 文件：

<xacro:include filename="$(find package)/other_file.xacro" />
<xacro:include filename="other_file.xacro" />
<xacro:include filename="$(cwd)/other_file.xacro" />

为了避免各个包含文件的属性和宏之间发生名称冲突，可以为包含的文件指定命名空间 - 提供属性 ns：

<xacro:include filename="other_file.xacro" ns="namespace"/>

通过在前面添加命名空间（用点分隔）可以访问命名空间的宏和属性：

${namespace.property}

六、条件语句

Xacro同样支持条件语句，示例如下：

<xacro:if value="<expression>">
	<... some xml code here ...>
</xacro:if>
<xacro:unless value="<expression>">
  	<... some xml code here ...>
</xacro:unless>

其中 <expression> 表达式的结果必须是 0、1、false、true ，否则会报错。

在 ROS Jade 版本中，Xacro引入了python解析表达式，所以，任何计算结果为布尔值的 Python 表达式都是合法的。

<xacro:property name="var" value="useit"/>
<xacro:if value="${var == 'useit'}"/>
<xacro:if value="${var.startswith('use') and var.endswith('it')}"/>

<xacro:property name="allowed" value="${[1,2,3]}"/>
<xacro:if value="${1 in allowed}"/>

七、YAML 支持

属性也可以是字典或列表 - 使用 python 语法声明，如下所示：

<xacro:property name="props" value="${dict(a=1, b=2, c=3)}"/>
<xacro:property name="props_alt" value="${dict([('1a',1), ('2b',2), ('3c',3)])}"/>
<xacro:property name="numbers" value="${[1,2,3,4]}"/>

或者从 YAML 文件加载，如下所示：

<xacro:property name="yaml_file" value="$(find package)/config/props.yaml" />
<xacro:property name="props" value="${load_yaml(yaml_file)}"/>

从 YAML 文件加载的 xacro 属性被视为字典。因此，如果props.yaml被加载到props xacro 属性中（如上所述）并且包含如下内容：

val1: 10
val2: 20

则可以使用如下方法读取：

<xacro:property name="val1" value="${props['val1']}" />

八、从 CMakeLists.txt 构建

以下代码片段展示了如何在包的 make 调用期间使用 xacro：

# Generate .world files from .world.xacro files
find_package(xacro REQUIRED)
# You can also add xacro to the list of catkin packages:
#   find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS ... xacro)

# Xacro files
file(GLOB xacro_files ${CMAKE_CURRENT_SOURCE_DIR}/worlds/*.world.xacro)

foreach(it ${xacro_files})
  # remove .xacro extension
  string(REGEX MATCH "(.*)[.]xacro$" unused ${it})
  set(output_filename ${CMAKE_MATCH_1})

  # create a rule to generate ${output_filename} from {it}
  xacro_add_xacro_file(${it} ${output_filename})

  list(APPEND world_files ${output_filename})
endforeach(it)

# add an abstract target to actually trigger the builds
add_custom_target(media_files ALL DEPENDS ${world_files})

虽然此 cmake 代码提供了对目标名称和构建顺序的完全控制，但也有一个便捷宏：

file(GLOB xacro_files worlds/*.world.xacro)
xacro_add_files(${xacro_files} TARGET media_files)

如果希望生成 .urdf 文件，可以提供以 .urdf.xacro 结尾的输入文件，CMake 函数将删除 .xacro 后缀。

九、处理顺序

通常的方法是，xacro 首先加载所有 <include> 的内容，然后处理所有属性和宏定义，最后实例化宏并计算表达式。因此，后面的属性或宏定义将覆盖前面的。此外，条件标签 <if> 和 <unless> 对宏或属性定义以及附加文件的 <include> 没有影响。

Jade 中的新功能：

自 ROS Jade 以来，xacro 提供了命令行选项 --inorder，允许按读取顺序处理整个文档。因此，将使用最后读取的属性或宏。还允许一些不错的新功能：

如果将 <include> 标签分别放在宏或条件标签内，则可以推迟或完全抑制文件的包含。
可以通过属性或宏参数指定包含文件名。
通过在全局范围内改变属性，如果在宏中使用这些属性，宏的实例化可以产生不同的结果。
属性定义可以是有条件的。
宏可以在内部定义属性而不影响外部的东西。

因为 --inorder 处理功能更加强大，在 Jade 之后的未来版本中，它成为了默认方式，所以应该检查 xacro 文件的兼容性。通常，两种处理方式会给出相同的结果。可以像这样检查：

rosrun xacro xacro file.xacro > /tmp/old.xml
rosrun xacro xacro --inorder file.xacro > /tmp/new.xml
diff /tmp/old.xml /tmp/new.xml

如果两个文件有任何差异，应该检查并调整 xacro 文件。一个常见原因是校准数据（作为属性）加载较晚，在这种情况下，只需将它们移到前面，即使用之前。为了方便搜索错误放置的属性定义，可以使用选项 --check-order 运行 xacro 。如果有任何有问题的属性，将在 stderr 上列出：

Document is incompatible to --inorder processing.
The following properties were redefined after usage:
foo redefined in issues.xacro

使用命令行选项 -vv 或 -vvv 可以增加详细级别来记录所有属性的定义。

十、调试语法错误

要获得更详细的语法错误输出，可以运行以下命令，该命令将 xacro 转成 urdf 并检查语法错误，如果没有安装该命令，可以使用 sudo apt install liburdfdom-tools 安装

cd <path_to_xacro_file>
check_urdf <(xacro model.xacro)

或

xacro model.urdf.xacro > tmp.urdf && check_urdf tmp.urdf && rm tmp.urdf