首飞的博客

仿真系统简介

机器人的开发需要很多的测试。而测试就需要搭建场地。测试项目一多，需要的场地的形式也会更多。搭建这样的场地不仅成本高，耗费的人力和物力都相当可观。有些场景在真实环境中不容易出现，但却可以在仿真环境中制造出来。

通过对静态环境的模拟和动态环境的模拟，仿真系统可以帮助开发人员和测试人员触及到很多长尾的情况。而做到这些的代价要比在真实环境中的测试低很多，效率也更高。不管是服务机器人领域还是自动驾驶，仿真技术已经成为一项不可或缺的关键技术。这里对仿真系统做如下简单的定义以方便大家有个整体的概念。

1）仿真系统是通过计算机仿真技术对真实环境的数学建模。它需要模拟重力，碰撞，摩擦，机器人的动力学等等基础物理现象。

2）仿真技术的基本原理是在仿真场景内，将真实控制器变成算法，结合传感器仿真等技术，完成对算法的测试和验证。

仿真软件

目前ROS中存在webots、gazebo、stage三种仿真环境。

Webots

Webots 是一个开源的三维移动机器人模拟器，它与gazebo类似都是ros中仿真环境。webots在2018年以前是一款商业软件，商业软件的好处就是安装简单，在windows和ubuntu上都可以实现一键安装，对用户很友好，webots从2018年以后webots进行了开源（自2018年12月起，Webots作为开放源码软件在Apache 2.0许可下发布。）。

Webots支持C/C++、Python、MATLAB、Java、ROS和TCP/IP等多种方式实现模型的仿真控制。Webots内置了接近100种机器人模型，包括轮式机器人、人形机器人、爬行移动机器人、单臂移动机器人、双臂移动机器人、无人机、大狗、飞艇等等，其中就包括大家比较熟悉的Boston Dynamics Atlas、DJI Mavic 2 PRO、Nao、PR2、YouBot、UR、Turtlebot3 Burger等机器人。当然还有我们需要的自动驾驶环境，webots还提供有火星车的模型可以让大家使用。

Webots的一些关键功能包括：

• 跨平台（Windows，Linux和Mac）。
• 稳定的物理引擎。
• 可重现性。
• 使用基于物理的渲染获得逼真的图像的高效渲染引擎。
• 简单直观的用户界面。
• 模拟各种传感器和执行器可供选择并可以工作。
• 可用的机器人模型范围很广，可以投入使用。
• 范围广泛的文件样本。

目前Webots是通过webots_ros2功能包来和ROS2集成的。

不知道阅读本篇文章的你有没有被环境配置搞的焦头烂额过？

想要验证一个功能包，但却需要安装各种依赖。装就装吧！但是安装的依赖可能更新本机中的一些配置或软件版本，导致过去可以运行的软件这么折腾一下后就不能再运行了。

这时可能又后悔又懊恼。严重的可能要重新安装电脑系统。

本文描述了一种在Docker环境中开发和调试ROS程序的方法。旨在解决环境配置和软件依赖给我们带来的困扰。

我们使用Docker+Vscode来构建开发环境。下面的操作在Ubuntu 20.04 LTS上验证过。对于其他操作系统，操作步骤应该也是一致的。

运行一个示例

安装依赖

1

sudo apt-get install ros-galactic-turtle-tf2-py ros-galactic-tf2-tools ros-galactic-tf-transformations

1

pip3 install transforms3d

运行示例

在不同的命令窗口中运行下面的命令

启动小乌龟窗口

1

ros2 launch turtle_tf2_py turtle_tf2_demo.launch.py

启动键盘控制节点

1

ros2 run turtlesim turtle_teleop_key

观察坐标转换的结果

1

ros2 run tf2_ros tf2_echo turtle2 turtle1

示例分析

本示例中启动了两只小乌龟Turtle1和Turtle2。TF发布器会将Turtle1相对于world坐标系的位置关系和Turtle2相对于world坐标系的位置关系发布出来。为了实现Turtle2跟随Turtle1的效果，程序中获取了Turtle1相对于Turtle2的位置关系并且将其折算成速度控制量。

launch 文件

launch文件可以同时配置和启动多个ros节点。ROS2中的launch文件可以用Python、xml、yaml来写。

但ROS2中的Python launch文件更为灵活，功能也更加强大。可以用它执行一些其他的任务（比如新建目录，配置环境变量）。所以官方推荐的是使用python来写。而launch文件一般会放在功能包中的launch文件夹下面。如果想感受一下各种方式写launch文件的效果，可以点开下面的链接体会一下。

https://docs.ros.org/en/galactic/How-To-Guides/Launch-file-different-formats.html

launch文件一般通过下面的命令启动：

1

ros2 launch <package_name> <launch_file_name>

值的注意的是，当package编译时加了--symlink-install选项，在包内修改了launch文件，不用编译也是生效的。

ROS2最新的5年长期支持版ROS 2 Humble Hawksbill 发布了。它是第一个运行在Ubuntu 22.04 (Jammy Jellyfish)上的版本。

介绍文章：

https://discourse.ros.org/t/ros-2-humble-hawksbill-released/25729

ROS2 Humble Hawksbill 版本新特性：

https://docs.ros.org/en/humble/Releases/Release-Humble-Hawksbill.html#new-features-in-this-ros-2-release

ROS2 Humble Hawksbill官方手册：

https://docs.ros.org/en/humble/index.html

使用ros2 lifecycle --h命令可以看到lifecycle相关的命令有哪些。

获取LifecycleNode节点的状态

1

ros2 lifecycle get /lifecycle_node_demo_node

其中/lifecycle_node_demo_node为节点名称

map的数据类型

map话题的类型是nav_msgs::msg::OccupancyGrid。使用下面的命令可以查询该类型的数据结构。

1

ros2 interface show nav_msgs/msg/OccupancyGrid

nav_msgs::msg::OccupancyGrid的数据结构：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33

# This represents a 2-D grid map
std_msgs/Header header
        builtin_interfaces/Time stamp
                int32 sec
                uint32 nanosec
        string frame_id

# MetaData for the map
MapMetaData info
        builtin_interfaces/Time map_load_time
                int32 sec
                uint32 nanosec
        float32 resolution
        uint32 width
        uint32 height
        geometry_msgs/Pose origin
                Point position
                        float64 x
                        float64 y
                        float64 z
                Quaternion orientation
                        float64 x 0
                        float64 y 0
                        float64 z 0
                        float64 w 1

# The map data, in row-major order, starting with (0,0).
# Cell (1, 0) will be listed second, representing the next cell in the x direction.
# Cell (0, 1) will be at the index equal to info.width, followed by (1, 1).
# The values inside are application dependent, but frequently,
# 0 represents unoccupied, 1 represents definitely occupied, and
# -1 represents unknown.
int8[] data

其中data数据成员用于存储地图中的每个栅格值。nav_msgs::msg::OccupancyGrid存储的栅格值范围在[0~100]。0表示栅格未被占用，100表示栅格被占用了，而0到100之间表示被占用的程度。-1表示未知区域。

info成员变量中主要存储地图文件的一些参数。比如：地图大小，分辨率，原点等信息。

Costmap_2d 的插件

Costmap_2d 的插件都是继承于CostmapLayer。具体的关系如下图所示：

StaticLayer

StaticLayer内主要是通过接收map_server发布的地图话题来加载静态地图的。所以StaticLayer内是可以在线更改静态地图的。

ObstacleLayer

ObservationBuffer

ObservationBuffer 是一个障碍物观察数据的buffer。观测到的障碍物数据都将转成sensor_msgs::msg::PointCloud2格式，然后存储到ObservationBuffer 中。

在ObservationBuffer 里存储的历史障碍物数据可以根据想保持的时间来清空。期望保持的时间主要由变量observation_keep_time_来决定。如果设置成rclcpp::Duration(0.0s)则表示每次都只存储最新的，历史障碍物数据都会被清掉。

看到这里，有同学可能会想，既然可以以时间为依据来清除障碍物，是不是也可以以其他条件来清除障碍物呢？答案肯定是可以的。这个就需要根据应用场景来选择了。比如：使用机器人的移动距离来作为判断条件。当观测数据时的机器人位置与现在机器人的位置超过多远就把该数据清掉。

有顺序的的启动节点，暂停节点，关闭节点是ROS1的一个痛点。因为在ROS1中节点启动是无序的。ROS1系统设计时并没有考虑节点启动时可能存在的互相依赖。

但在实际生产使用环境中，某些节点能正常工作是需要其他一些节点已经启动了的。

比如：需要定位功能能正常运行，前提是map_server节点已经正常加载地图文件并且已经把地图话题发布出来。

又或者你想从建图功能切到导航功能。在ROS1中，需要先将建图功能的程序杀干净。然后再启动导航程序。在ROS2中，各个节点的状态是可管理的。

在这个场景里，大可让建图程序休眠，而不用杀掉。切换功能时只需要激活相应功能的节点即可。

废话不多说，我们直接开始。

搭建测试环境

为了避免花太多时间折腾环境问题。这里使用Docker来跑测试的示例。

安装Docker

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16

# step 1: 安装必要的一些系统工具
sudo apt-get update
sudo apt-get -y install apt-transport-https ca-certificates curl software-properties-common

# step 2: 安装GPG证书
curl -fsSL http://mirrors.aliyun.com/docker-ce/linux/ubuntu/gpg | sudo apt-key add -

# Step 3: 写入软件源信息
sudo add-apt-repository "deb [arch=amd64] http://mirrors.aliyun.com/docker-ce/linux/ubuntu $(lsb_release -cs) stable"

# Step 4: 更新并安装 Docker-CE
sudo apt-get -y update
sudo apt-get -y install docker-ce

# Step 5: 查看docker是否安装成功
docker version