机器人操作系统【02】：如何在 ROS2 中对点云数据进行建模

一、说明

RViz和Gazebo中RADU的模拟进展顺利。在上一篇文章中，我们学习了如何启动机器人并使用远程节点进行操作。在本文中，我们将添加两个视觉传感器。首先，一个图像摄像机，用于在机器人四处移动时查看机器人的实时馈送。其次，深度摄像头传感器，它输出点云，这是机器人周围环境的距离测量，其中颜色表示物体的距离。这两个传感器有助于2D导航和3D物体识别。

注意：技术环境是 Ubuntu 20.04、ROS2 Foxy、Gazebo11、RViz2。

二、gazebo中的视觉传感器

在上一篇文章中，我们看到了如何在gazebo模拟中添加一个插件来控制机器人。添加视觉传感器遵循相同的方法：从 Gazebo 插件文档中识别插件，检查并应用配置，然后将其添加到机器人的 URDF 模型。

URDF 模型需要扩展如下：

在 URDF 中定义链接和关节
可选：定义链接和关节frame
在标签中定义和标签sensorplugin<gazebo>

最佳做法是在单独的 XACRO 文件中为您的机器人定义任何其他传感器。这使您能够提供针对特定模拟目标量身定制的机器人的不同配置。

三、添加摄像机

让我们从相机插件开始。如文档所示，有不同类型的相机可用。我们将选择用于模拟传统相机的插件。libgazebo_ros_camera.so

四、URDF 模型

第一步是添加正确的链接和接头。相机传感器在这方面很特别：您需要为相机定义一个链接和一个接头，并为作为相机参考点的相机框架定义另一个链接和接头。这是必需的 URDF 部件。

<?xml version="1.0"?>
<robot xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro" name="radu">
  <link name='rgb_cam_camera_link'>
    <visual>
      <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
      <geometry>
        <box size="0.02 0.04 0.01" />
      </geometry>
    </visual>
  </link>
  <joint name="rgb_cam_camera_link_joint" type="fixed">
    <origin rpy="0 0 0" xyz="0.30 0.0 0.065" />
    <parent link="base_link" />
    <child link="rgb_cam_camera_link" />
    <axis xyz="0 0 0" />
  </joint>
  <link name="rgb_cam_camera_link_frame"></link>
  <joint name="rgb_cam_camera_frame_joint" type="fixed">
    <origin xyz="0.01 0 0" rpy="0 0 0" />
    <parent link="rgb_cam_camera_link" />
    <child link="rgb_cam_camera_link_frame" />
    <axis xyz="0 0 0" />
  </joint>
</robot>

然后，我们需要在机器人 URDF 中添加 and 标签。<sensor><plugin>

<?xml version="1.0"?>
<robot xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro" name="radu">
  <gazebo reference="rgb_cam_camera_link_frame">
    <sensor type="camera" name="rgb_camera">
      <update_rate>10.0</update_rate>
      <camera name="rgb_camera">
        <pose>0 0 0 0 0 0</pose>
        <horizontal_fov>1.3962634</horizontal_fov>
        <image>
          <width>640</width>
          <height>480</height>
          <format>YUYV</format>
        </image>
        <clip>
          <near>0.005</near>
          <far>10.0</far>
        </clip>
      </camera>
      <plugin name="camera_controller" filename="libgazebo_ros_camera.so">
        <alwaysOn>true</alwaysOn>
        <updateRate>0.0</updateRate>
        <cameraName>rgb_camera</cameraName>
        <imageTopicName>image_raw</imageTopicName>
        <cameraInfoTopicName>camera_info</cameraInfoTopicName>
        <frameName>rgb_cam_camera_link_frame</frameName>
        <hackBaseline>0.07</hackBaseline>
        <distortionK1>0.0</distortionK1>
        <distortionK2>0.0</distortionK2>
        <distortionK3>0.0</distortionK3>
        <distortionT1>0.0</distortionT1>
        <distortionT2>0.0</distortionT2>
      </plugin>
    </sensor>
  </gazebo>
</robot>

此声明使用了一个有用的技巧：URDF 文件可以包含多个标签，Gazebo 将解析这些标签，就像将所有声明写入一个全局标签一样。<gazebo reference="NAME"><gazebo>

配置相机的主要属性包括以下各项：

<image>图像的宽度、高度和格式
<clip>近属性和远属性控制图像记录的剪裁方式

对于插件，我们需要定义更新速率（表示恒定流），图像和相机信息的主题名称以及几个失真因素。0.0

五、RViz模拟

配置传感器后，我们只需启动机器人和RViz即可。在RViz内部，我们需要添加相机显示，然后将其配置为订阅主题。如果操作正确，您可以看到图像实时取景。/rgb_camera/image_raw

在以下屏幕截图中，您可以在右侧看到凉亭模拟，在左侧看到带有相机视图的 RViz。

六、深度摄像头

成功安装默认图像相机后，我们可以继续添加深度相机。

最初，我计划将 Gazebo 插件用于我将在机器人中使用的深度传感器：英特尔实感 D435。在我研究这个插件的过程中，我发现官方的特定插件仅适用于 ROS1。一些用户试图让这个传感器运行，如这个 ROS 答案线程中所述 - 他们成功地在 Gazebo 中启动控制器，但无法获取任何传感器数据。因此，我决定使用类似的工作插件来模拟3D点云：ROS2射线传感器。

七、URDF 模型

和以前一样，我们首先需要在机器人模型中创建正确的链接。对于深度传感器，我们只需要一个链接和一个接头。这是相关的 URDF。

<?xml version="1.0"?>
<robot xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro" name="radu">
  <link name='laser_link'>
    <visual>
      <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
      <geometry>
        <box size="0.02 0.04 0.01" />
      </geometry>
    </visual>
  </link>
  <joint name="laser_link_joint" type="fixed">
    <origin rpy="0 0 0" xyz="0.10 0.1 0.085" />
    <parent link="base_link" />
    <child link="laser_link" />
    <axis xyz="0 0 0" />
  </joint>
</robot>

其次，我们添加一个包含 and 标签的附加标签。<gazebo reference=""><sensor><plugin>

<?xml version="1.0"?>
<robot xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro" name="radu">
  <gazebo reference="laser_link">
    <sensor type="ray" name="head_laser_scanner">
      <pose>0.0 0 0 0 0 0</pose>
      <ray>
        <scan>
          <horizontal>
            <samples>181</samples>
            <resolution>1</resolution>
            <min_angle>-1.57080</min_angle>
            <max_angle>1.57080</max_angle>
          </horizontal>
        </scan>
        <range>
          <min>0.08</min>
          <max>10</max>
          <resolution>0.05</resolution>
        </range>
        <noise>
          <type>gaussian</type>
          <mean>0.0</mean>
          <stddev>0.01</stddev>
        </noise>
      </ray>
      <always_on>1</always_on>
      <update_rate>30</update_rate>
      <visualize>true</visualize>
      <plugin name="laser_scanner" filename="libgazebo_ros_ray_sensor.so">
        <ros>
          <namespace>/</namespace>
          <argument>~/out:=laser</argument>
        </ros>
        <output_type>sensor_msgs/PointCloud2</output_type>
        <frame_name>laser_link</frame_name>
      </plugin>
    </sensor>
  </gazebo>
</robot>

The sensor is of type and includes the following configuration options:ray

The tag can include a and a tag for scanning along these definitions. Each is defined with it min and max angle, the number of samples (number of points detected), and the resolution<scan><horizontal><vertical>
With you define the absolute distances in which the sensor will detect its environment<range>
The optional tag defines how the received measurement is cleaned up in your simulation.<noise>

根据传感器定义，配置此传感器的命名空间、主题、数据格式和参考链接。<plugin>

八、Gazebo和RViz模拟

无需修改启动文件 — 在主题上发布的新 URDF 文件包含新的传感器和插件。但是我们会看到什么？/robot_description

在凉亭中，我们看到传感器的视觉表示：发射的光线。我注意到在我的模拟中，只有房间的墙壁，而不是物体，阻挡了传感器的光线——显然，它们具有不同的物理特征，但这对模拟来说是可以的。

在RViz中，我们可以看到传感器数据的实时模拟，并在四处走动时准确地看到房间的轮廓。启动后，我们通过按钮添加新显示器，选择，然后将主题配置为和显示点的大小为 0，03m。这将如下所示。AddPointCloud2/laser

九、结论

使用传感器插件增强机器人仿真可提供对机器人模型的重要见解。在ROS2中，官方凉亭插件包括驱动器，IMU，GPS，相机等。本文介绍了添加传感器的基本步骤。首先，定义传感器的连杆和接头。其次，添加带有传感器和插件配置的标签。传感器在模拟工具Gazebo和RViz中的显示方式不同。在 Gazebo 中，该插件公开了可以控制和/或可视化的直接接口。在RViz中，您需要添加其他显示类型，以收听插件提供的主题，例如显示实时馈送摄像机或点云。正确配置后，您的机器人模型将显示其环境，并让您更好地控制模拟。塞巴斯蒂安