gazebo仿真尝试

Yusialone2025-07-182025-07-21

ROS 2接口与配置迁移指南 (从仿真到实车)

本文档旨在作为将 gazebo_robot_sim_py 仿真项目移植到真实硬件平台的操作手册。核心思想是：用真实的传感器驱动替换Gazebo插件，并调整配置文件以匹配真实机器人的物理特性。

第一部分：SLAM (Cartographer) 接口与配置

在 slam_launch.py 启动的SLAM流程中，您的实车需要替换Gazebo提供的传感器数据，并可能需要调整Cartographer的配置。

1. 必需的输入话题 (Your Vehicle MUST Provide These)

接口 (话题)	消息类型	发布者 (仿真中)	订阅者 (仿真中)	实车操作指南
`/scan`	`sensor_msgs/LaserScan`	Gazebo激光雷达插件	`cartographer_node`	【核心任务】您的激光雷达驱动程序必须发布此话题。确保消息的 `frame_id` 与您机器人TF树中的激光雷达坐标系名称一致（例如 `laser_link`）。
`/odom`	`nav_msgs/Odometry`	Gazebo差分驱动插件	`cartographer_node`	【核心任务】您的底层运动控制器或轮式里程计驱动程序必须发布此话题。这提供了机器人的速度和位姿初步估计。`frame_id` 应为 `odom`，`child_frame_id` 应为 `base_link`。
`/tf`	`tf2_msgs/TFMessage`	Gazebo差分驱动插件,`robot_state_publisher`, `static_transform_publisher`	`cartographer_node`	【核心任务】您的机器人TF树必须完整且正确。具体包括： 1. `odom` -> `base_link`：通常由里程计发布者（如差分驱动插件）提供。 2. `base_link` -> `laser_link`：这是激光雷达相对于机器人中心的物理安装位置。在仿真中由 `s`

2. 关键的输出话题 (Cartographer Provides These for You)

接口 (话题)	消息类型	发布者 (仿真中)	订阅者 (仿真中)	实车调试要点
`/map`	`nav_msgs/OccupancyGrid`	`cartographer_occupancy_grid_node`	`rviz2`	这是最终生成的2D栅格地图。您可以在RViz中订阅此话题来查看建图效果。
`/tf`	`tf2_msgs/TFMessage`	`cartographer_node`	`rviz2` 等	Cartographer会发布`map` -> `odom` 的TF变换。这是SLAM的核心输出，它修正了里程计的累积误差，将机器人定位在全局地图中。

3. 需要重点关注的配置文件

urdf/robot.urdf:
- 物理尺寸: 修改 base_link, left_wheel, right_wheel 等连杆的 <visual> 和 <collision> 标签中的尺寸，以匹配您的真实机器人。
- 惯性参数: 粗略估计或测量各部件的 <inertial> 参数（质量和惯性张量）。虽然对2D SLAM影响不大，但对物理模型的准确性有好处。
- 移除Gazebo插件: 【关键】 删除或注释掉所有 <gazebo> 标签。这包括差分驱动插件和激光雷达传感器插件。这些功能将由您的真实硬件驱动程序替代。
config/cartographer_config.lua:
- tracking_frame: 确保这是您机器人URDF中的基座坐标系名称，通常是 base_link。
- odom_frame: 确保这是您的里程计发布的坐标系名称，通常是 odom。
- num_laser_scans: 如果您有多个激光雷达，需要修改此值并添加相应的订阅话题配置。
- 性能调优: min_range, max_range, voxel_filter_size, submaps.num_range_data 等参数可能需要根据您的激光雷达型号和环境进行调优，以获得更好的建图效果。
launch/slam_launch.py:
- static_tf_base_to_laser: 【关键】 修改此 Node 的 arguments，以反映激光雷达在您真实车辆上的精确(x, y, z)安装位置。
- 移除Gazebo: 您可以删除 gazebo 和 spawn_entity 节点，因为不再需要仿真环境。
- teleop_twist_keyboard: 您可以使用任何方式发布 /cmd_vel 指令来控制机器人，键盘遥控只是其中一种。

在 navigation_launch.py 启动的导航流程中，除了SLAM部分已提到的接口外，还需要关注Nav2自身的配置。

1. 必需的输入接口 (Your System MUST Provide These)

除了SLAM部分的 /scan, /odom, /tf 之外，Nav2还需要：

接口 (话题/服务/动作)	类型	发布者/客户端 (仿真中)	订阅者/服务器 (仿真中)	实车操作指南
`/initialpose`	`PoseWithCovarianceStamped`	`initial_pose_publisher` 或 RViz	`amcl`	【关键】在开始导航前，必须为AMCL提供一个初始位姿估计。这可以通过RViz手动设置，或运行 `initial_pose_publisher`节点自动设置。您需要确保发布的位姿在地图上的位置是准确的。
`/goal_pose`	`PoseStamped`	RViz或您自己的应用	`nav2_bt_navigator`	【关键】这是导航的目标点。您可以通过RViz的 “Nav2 Goal” 工具发布，或编写自己的节点来发布。
`/cmd_vel`	`Twist`	(Nav2提供) `nav2_controller`	您的机器人底层驱动	【核心任务】您需要编写一个底层驱动节点，该节点订阅 `/cmd_vel` 话题，并将收到的速度指令（`linear.x` 和 `angular.z`）转换为对您机器人电机/舵机的实际控制信号。

2. 关键的输出接口 (Nav2 Provides These for You)

接口 (话题/服务/动作)	类型	发布者/服务器	实车调试要点
`/plan`	`Path`	`nav2_planner`	显示全局规划路径。
`/local_plan`	`Path`	`nav2_controller` (DWB)	显示本地规划路径。
`/amcl_pose`	`PoseWithCovarianceStamped`	`amcl`	AMCL发布的机器人当前位姿和不确定性。
`/global_costmap/costmap`	`OccupancyGrid`	`nav2_costmap_2d`	全局代价地图。
`/local_costmap/costmap`	`OccupancyGrid`	`nav2_costmap_2d`	本地代价地图。

3. 需要重点关注的配置文件

urdf/robot.urdf:
- 同SLAM部分，但这里的重点是确保物理尺寸和碰撞模型准确，因为Nav2的代价地图和路径规划器严重依赖这些信息来避免碰撞。
config/nav2_params.yaml:
- amcl:
  - base_frame_id, odom_frame_id, global_frame_id: 确保与您的TF树一致。
  - scan_topic: 确保设置为 /scan。
- controller_server (DWB):
  - max_vel_x, max_vel_theta, acc_lim_x, acc_lim_theta: 【关键】 这些参数必须根据您真实机器人的最大速度和加速度能力进行修改。这是决定导航性能和安全性的最重要参数之一。
  - min_vel_x: 如果您的机器人不能以极低速度稳定行驶，可能需要设置一个非零的最小速度。
- local_costmap & global_costmap:
  - robot_radius 或 footprint: 【关键】 如果您的机器人是圆形的，请设置准确的 robot_radius。如果不是，请使用 footprint 参数定义其精确的多边形轮廓。这直接影响碰撞检测。
  - inflation_radius: 膨胀半径，定义了机器人离障碍物多远才算安全。需要根据机器人尺寸和期望的行驶行为进行调整。
  - scan (in observation_sources): 确保话题名称、传感器量程等与您的真实激光雷达匹配。
- planner_server (NavFn):
  - tolerance: 到达目标的容忍距离，可以根据精度要求调整。
- map_server:
  - yaml_filename: 在 navigation_launch.py中，这个参数会被动态设置为您选择的地图文件。
- bt_navigator: 通常不需要修改，除非您想自定义行为树。
launch/navigation_launch.py:
- 移除Gazebo: 同SLAM部分，移除 gazebo 和 spawn_entity 节点。
- map argument: 确保您在启动时传入的地图文件 (my_map.yaml) 是您通过SLAM构建并保存的真实环境地图。
- initial_pose_publisher: 修改此节点的参数，以匹配您希望机器人在地图上的默认启动位置。

迁移工作流总结

硬件驱动: 编写或配置您的激光雷达驱动和电机控制器，使其分别发布 /scan 话题和订阅 /cmd_vel 话题，并发布 /odom 和 odom->base_link 的TF。
URDF修改: 更新 robot.urdf 以反映真实机器人的尺寸、碰撞模型和关节。移除所有Gazebo插件。
TF树验证:
- 测量并更新 launch/slam_launch.py 和 launch/navigation_launch.py 中的 static_tf_base_to_laser。
- 运行 ros2 run tf2_tools tf2_echo map base_link 和 ros2 run tf2_tools tf2_echo base_link laser_link 来验证TF树是否正确连接。
SLAM测试:
- 运行修改后的 slam_launch.py。
- 遥控机器人在环境中移动，观察RViz中的建图效果。
- 根据效果调整 config/cartographer_config.lua。
- 建图完成后，使用 ros2 run nav2_map_server map_saver_cli -f <your_map_name> 保存地图。
导航配置:
- 将保存的地图文件（.pgm 和 .yaml）放入 maps 文件夹。
- 仔细修改 config/nav2_params.yaml 中的机器人物理参数（速度、加速度、尺寸）。
导航测试:
- 运行修改后的 navigation_launch.py，并确保 map 参数指向您新保存的地图。
- 在RViz中设置初始位姿，观察AMCL粒子是否收敛。
- 在RViz中设置导航目标，观察机器人是否能够安全、平稳地到达。
- 根据导航行为反复调试 nav2_params.yaml中的参数。

<?xml version="1.0"?>
<robot name="mobile_robot">
  <!-- ======================= LINKS ======================= -->
  
  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.4 0.3 0.1"/>
      </geometry>
      <material name="blue">
        <color rgba="0 0 0.8 1"/>
      </material>
    </visual>
    <collision>
      <geometry>
        <box size="0.4 0.3 0.1"/>
      </geometry>
    </collision>
    <inertial>
      <mass value="2.0"/>
      <inertia ixx="0.015" ixy="0" ixz="0" iyy="0.0267" iyz="0" izz="0.0367"/>
    </inertial>
  </link>

  <!-- Left Wheel (Resized) -->
  <link name="left_wheel">
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder radius="0.05" length="0.05"/> <!-- MODIFIED: radius 0.1 -> 0.05 -->
      </geometry>
      <material name="black">
        <color rgba="0 0 0 1"/>
      </material>
    </visual>
    <collision>
      <geometry>
        <cylinder radius="0.05" length="0.05"/> <!-- MODIFIED: radius 0.1 -> 0.05 -->
      </geometry>
    </collision>
    <inertial>
      <!-- MODIFIED: Reduced mass and inertia for smaller wheel -->
      <mass value="0.2"/>
      <inertia ixx="0.00015" ixy="0" ixz="0" iyy="0.00015" iyz="0" izz="0.00025"/>
    </inertial>
  </link>

  <joint name="left_wheel_joint" type="continuous">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="left_wheel"/>
    <!-- The z=0 origin is now correct for a radius of 0.05 -->
    <origin xyz="-0.1 0.175 0" rpy="-1.5708 0 0"/>
    <axis xyz="0 0 1"/>
  </joint>

  <!-- Right Wheel (Resized) -->
  <link name="right_wheel">
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder radius="0.05" length="0.05"/> <!-- MODIFIED: radius 0.1 -> 0.05 -->
      </geometry>
      <material name="black">
        <color rgba="0 0 0 1"/>
      </material>
    </visual>
    <collision>
      <geometry>
        <cylinder radius="0.05" length="0.05"/> <!-- MODIFIED: radius 0.1 -> 0.05 -->
      </geometry>
    </collision>
    <inertial>
      <!-- MODIFIED: Reduced mass and inertia for smaller wheel -->
      <mass value="0.2"/>
      <inertia ixx="0.00015" ixy="0" ixz="0" iyy="0.00015" iyz="0" izz="0.00025"/>
    </inertial>
  </link>

  <joint name="right_wheel_joint" type="continuous">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="right_wheel"/>
    <!-- The z=0 origin is now correct for a radius of 0.05 -->
    <origin xyz="-0.1 -0.175 0" rpy="-1.5708 0 0"/>
    <axis xyz="0 0 1"/>
  </joint>

  <!-- Caster Wheel -->
  <link name="caster_wheel">
    <visual>
      <geometry>
        <sphere radius="0.05"/>
      </geometry>
      <material name="gray">
        <color rgba="0.5 0.5 0.5 1"/>
      </material>
    </visual>
    <collision>
      <geometry>
        <sphere radius="0.05"/>
      </geometry>
    </collision>
    <inertial>
      <mass value="0.1"/>
      <inertia ixx="0.0001" ixy="0" ixz="0" iyy="0.0001" iyz="0" izz="0.0001"/>
    </inertial>
  </link>

  <joint name="caster_wheel_joint" type="fixed">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="caster_wheel"/>
    <!-- MODIFIED: z origin -0.05 -> 0 to keep the robot level with new smaller wheels -->
    <origin xyz="0.15 0 0" rpy="0 0 0"/>
  </joint>
  
  <!-- Laser Scanner Link -->
  <link name="laser_link">
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder radius="0.04" length="0.04"/>
      </geometry>
      <material name="black">
        <color rgba="0.2 0.2 0.2 1"/>
      </material>
    </visual>
    <collision>
      <geometry>
        <cylinder radius="0.04" length="0.04"/>
      </geometry>
    </collision>
    <inertial>
      <mass value="0.1"/>
      <inertia ixx="0.00002" ixy="0" ixz="0" iyy="0.00002" iyz="0" izz="0.00002"/>
    </inertial>
  </link>

  <joint name="laser_joint" type="fixed">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="laser_link"/>
    <origin xyz="0.2 0 0.08" rpy="0 0 0"/>
  </joint>

  <!-- ======================= GAZEBO ======================= -->

  <gazebo reference="base_link">
    <material>Gazebo/Blue</material>
  </gazebo>
  <gazebo reference="left_wheel">
    <material>Gazebo/Black</material>
  </gazebo>
  <gazebo reference="right_wheel">
    <material>Gazebo/Black</material>
  </gazebo>
  <gazebo reference="caster_wheel">
    <material>Gazebo/Gray</material>
    <mu1>0.0</mu1>
    <mu2>0.0</mu2>
  </gazebo>
  <gazebo reference="laser_link">
    <material>Gazebo/Black</material>
  </gazebo>

  <gazebo>
    <plugin name="diff_drive" filename="libgazebo_ros_diff_drive.so">
      <update_rate>50</update_rate>
      <left_joint>left_wheel_joint</left_joint>
      <right_joint>right_wheel_joint</right_joint>
      <wheel_separation>0.35</wheel_separation>
      <!-- CRITICAL MODIFICATION: Diameter must match the new wheel size (radius 0.05 * 2) -->
      <wheel_diameter>0.1</wheel_diameter>
      <command_topic>cmd_vel</command_topic>
      <odometry_topic>odom</odometry_topic>
      <odometry_frame>odom</odometry_frame>
      <robot_base_frame>base_link</robot_base_frame>
      <publish_odom>true</publish_odom>
      <publish_odom_tf>true</publish_odom_tf>
      <publish_wheel_tf>true</publish_wheel_tf>
    </plugin>
  </gazebo>

  <gazebo reference="laser_link">
    <sensor type="ray" name="laser_sensor">
      <pose>0 0 0 0 0 0</pose>
      <visualize>true</visualize>
      <update_rate>10</update_rate>
      <ray>
        <scan>
          <horizontal>
            <samples>360</samples>
            <resolution>1</resolution>
            <min_angle>-3.14159</min_angle>
            <max_angle>3.14159</max_angle>
          </horizontal>
        </scan>
        <range>
          <min>0.10</min>
          <max>10.0</max>
          <resolution>0.01</resolution>
        </range>
        <noise>
          <type>gaussian</type>
          <mean>0.0</mean>
          <stddev>0.01</stddev>
        </noise>
      </ray>
      <plugin name="gazebo_ros_laser" filename="libgazebo_ros_ray_sensor.so">
        <ros>
          <namespace>/</namespace>
          <remapping>~/out:=scan</remapping>
        </ros>
        <output_type>sensor_msgs/LaserScan</output_type>
        <frame_name>laser_link</frame_name>
      </plugin>
    </sensor>
  </gazebo>
</robot>

<?xml version="1.0"?>
<sdf version="1.6">
  <world name="my_world">
    <physics type="ode">
      <real_time_update_rate>100</real_time_update_rate>
      <max_step_size>0.01</max_step_size>
    </physics>
    <include>
      <uri>model://sun</uri>
    </include>
    <include>
      <uri>model://ground_plane</uri>
    </include>
    <model name="wall_front">
      <static>true</static>
      <pose>5 0 1 0 0 0</pose>
      <link name="link">
        <collision name="collision">
          <geometry>
            <box>
              <size>0.2 10 2</size>
            </box>
          </geometry>
        </collision>
        <visual name="visual">
          <geometry>
            <box>
              <size>0.2 10 2</size>
            </box>
          </geometry>
          <material>
            <script>
              <name>Gazebo/Grey</name>
            </script>
          </material>
        </visual>
      </link>
    </model>
    <model name="wall_back">
      <static>true</static>
      <pose>-5 0 1 0 0 0</pose>
      <link name="link">
        <collision name="collision">
          <geometry>
            <box>
              <size>0.2 10 2</size>
            </box>
          </geometry>
        </collision>
        <visual name="visual">
          <geometry>
            <box>
              <size>0.2 10 2</size>
            </box>
          </geometry>
          <material>
            <script>
              <name>Gazebo/Grey</name>
            </script>
          </material>
        </visual>
      </link>
    </model>
    <model name="wall_left">
      <static>true</static>
      <pose>0 5 1 0 0 1.5708</pose>
      <link name="link">
        <collision name="collision">
          <geometry>
            <box>
              <size>0.2 10 2</size>
            </box>
          </geometry>
        </collision>
        <visual name="visual">
          <geometry>
            <box>
              <size>0.2 10 2</size>
            </box>
          </geometry>
          <material>
            <script>
              <name>Gazebo/Grey</name>
            </script>
          </material>
        </visual>
      </link>
    </model>
    <model name="wall_right">
      <static>true</static>
      <pose>0 -5 1 0 0 1.5708</pose>
      <link name="link">
        <collision name="collision">
          <geometry>
            <box>
              <size>0.2 10 2</size>
            </box>
          </geometry>
        </collision>
        <visual name="visual">
          <geometry>
            <box>
              <size>0.2 10 2</size>
            </box>
          </geometry>
          <material>
            <script>
              <name>Gazebo/Grey</name>
            </script>
          </material>
        </visual>
      </link>
    </model>
    <model name="obstacle1">
      <static>true</static>
      <pose>2 2 0.5 0 0 0</pose>
      <link name="link">
        <collision name="collision">
          <geometry>
            <box>
              <size>1 1 1</size>
            </box>
          </geometry>
        </collision>
        <visual name="visual">
          <geometry>
            <box>
              <size>1 1 1</size>
            </box>
          </geometry>
          <material>
            <script>
              <name>Gazebo/Orange</name>
            </script>
          </material>
        </visual>
      </link>
    </model>
  </world>
</sdf>

ROS 2接口与配置迁移指南 (从仿真到实车)

第一部分：SLAM (Cartographer) 接口与配置

第二部分：Navigation (Nav2) 接口与配置

迁移工作流总结

Yusialone