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本文将详细指导您如何在 Gazebo 仿真环境中使用 SDFormat 构建一个简单的两轮机器人。通过本文我们将逐步构建出自己的机器人模型。

一、基础知识介绍

• SDFormat（Simulation Description Format）：是一种用于描述机器人模拟器、可视化和控制中的对象和环境的 XML 格式。它提供了丰富的标签和属性，用于定义机器人的结构、物理属性和行为。
• Gazebo：是一个开源的三维机器人仿真器，广泛应用于机器人算法的开发与测试。

二、构建机器人

2.1 创建世界文件

1. 创建一个新的文件 building_robot.sdf，并复制以下代码：

<?xml version="1.0" ?>
<sdf version="1.10"><world name="car_world"><physics name="1ms" type="ignored"><max_step_size>0.001</max_step_size><real_time_factor>1.0</real_time_factor></physics><pluginfilename="gz-sim-physics-system"name="gz::sim::systems::Physics"></plugin><pluginfilename="gz-sim-user-commands-system"name="gz::sim::systems::UserCommands"></plugin><pluginfilename="gz-sim-scene-broadcaster-system"name="gz::sim::systems::SceneBroadcaster"></plugin><light type="directional" name="sun"><cast_shadows>true</cast_shadows><pose>0 0 10 0 0 0</pose><diffuse>0.8 0.8 0.8 1</diffuse><specular>0.2 0.2 0.2 1</specular><attenuation><range>1000</range><constant>0.9</constant><linear>0.01</linear><quadratic>0.001</quadratic></attenuation><direction>-0.5 0.1 -0.9</direction></light><model name="ground_plane"><static>true</static><link name="link"><collision name="collision"><geometry><plane><normal>0 0 1</normal></plane></geometry></collision><visual name="visual"><geometry><plane><normal>0 0 1</normal><size>100 100</size></plane></geometry><material><ambient>0.8 0.8 0.8 1</ambient><diffuse>0.8 0.8 0.8 1</diffuse><specular>0.8 0.8 0.8 1</specular></material></visual></link></model></world>
</sdf>

该代码创建了一个空的世界，其中包含一个地面平面和一盏太阳光。

2.2 构建机器人模型

2.2.1 定义模型

在 </model> 标签前添加以下代码，定义机器人的名称和初始位置：

<model name='vehicle_blue' canonical_link='chassis'><pose relative_to='world'>0 0 0 0 0 0</pose>

• name 是机器人的唯一标识符。
• canonical_link 是机器人的中心链接，表示机器人的默认参考点。
• <pose> 标签定义了模型的位置和方向，relative_to 属性指定了参考框架。

2.2.2 定义底盘

在模型标签内添加以下代码，定义机器人的底盘：

<link name='chassis'><pose relative_to='__model__'>0.5 0 0.4 0 0 0</pose><inertial><mass>1.14395</mass><inertia><ixx>0.095329</ixx><ixy>0</ixy><ixz>0</ixz><iyy>0.381317</iyy><iyz>0</iyz><izz>0.476646</izz></inertia></inertial><visual name='visual'><geometry><box><size>2.0 1.0 0.5</size></box></geometry><material><ambient>0.0 0.0 1.0 1</ambient><diffuse>0.0 0.0 1.0 1</diffuse><specular>0.0 0.0 1.0 1</specular></material></visual><collision name='collision'><geometry><box><size>2.0 1.0 0.5</size></box></geometry></collision>
</link>

• <pose> 定义了底盘相对于模型的偏移位置。
• <inertial> 定义了底盘的质量和惯性属性。
• <visual> 定义了底盘的视觉外观，包括形状和颜色。
• <collision> 定义了底盘的碰撞几何形状。

2.2.3 添加左轮

在底盘标签后添加以下代码，定义机器人的左轮：

<link name='left_wheel'><pose relative_to="chassis">-0.5 0.6 0 -1.5707 0 0</pose><inertial><mass>1</mass><inertia><ixx>0.043333</ixx><ixy>0</ixy><ixz>0</ixz><iyy>0.043333</iyy><iyz>0</iyz><izz>0.08</izz></inertia></inertial><visual name='visual'><geometry><cylinder><radius>0.4</radius><length>0.2</length></cylinder></geometry><material><ambient>1.0 0.0 0.0 1</ambient><diffuse>1.0 0.0 0.0 1</diffuse><specular>1.0 0.0 0.0 1</specular></material></visual><collision name='collision'><geometry><cylinder><radius>0.4</radius><length>0.2</length></cylinder></geometry></collision>
</link>

2.2.4 添加右轮

复制左轮代码，将其修改为右轮：

<link name='right_wheel'><pose relative_to="chassis">-0.5 -0.6 0 -1.5707 0 0</pose><inertial><mass>1</mass><inertia><ixx>0.043333</ixx><ixy>0</ixy><ixz>0</ixz><iyy>0.043333</iyy><iyz>0</iyz><izz>0.08</izz></inertia></inertial><visual name='visual'><geometry><cylinder><radius>0.4</radius><length>0.2</length></cylinder></geometry><material><ambient>1.0 0.0 0.0 1</ambient><diffuse>1.0 0.0 0.0 1</diffuse><specular>1.0 0.0 0.0 1</specular></material></visual><collision name='collision'><geometry><cylinder><radius>0.4</radius><length>0.2</length></cylinder></geometry></collision>
</link>

2.2.5 添加万向轮

添加以下代码，定义机器人的万向轮：

<frame name="caster_frame" attached_to='chassis'><pose>0.8 0 -0.2 0 0 0</pose>
</frame><link name='caster'><pose relative_to='caster_frame'/><inertial><mass>1</mass><inertia><ixx>0.016</ixx><ixy>0</ixy><ixz>0</ixz><iyy>0.016</iyy><iyz>0</iyz><izz>0.016</izz></inertia></inertial><visual name='visual'><geometry><sphere><radius>0.2</radius></sphere></geometry><material><ambient>0.0 1 0.0 1</ambient><diffuse>0.0 1 0.0 1</diffuse><specular>0.0 1 0.0 1</specular></material></visual><collision name='collision'><geometry><sphere><radius>0.2</radius></sphere></geometry></collision>
</link>

2.2.6 连接各个部件（关节）

在模型标签内添加以下代码，定义关节连接：

<joint name='left_wheel_joint' type='revolute'><pose relative_to='left_wheel'/><parent>chassis</parent><child>left_wheel</child><axis><xyz expressed_in='__model__'>0 1 0</xyz><limit><lower>-1.79769e+308</lower><upper>1.79769e+308</upper></limit></axis>
</joint><joint name='right_wheel_joint' type='revolute'><pose relative_to='right_wheel'/><parent>chassis</parent><child>right_wheel</child><axis><xyz expressed_in='__model__'>0 1 0</xyz><limit><lower>-1.79769e+308</lower><upper>1.79769e+308</upper></limit></axis>
</joint><joint name='caster_wheel' type='ball'><parent>chassis</parent><child>caster</child>
</joint>

• revolute 关节用于连接车轮和底盘，允许旋转运动。
• ball 关节用于连接万向轮。

四、完整代码

以下是完整的 SDF 文件内容：

<?xml version="1.0" ?>
<sdf version="1.10"><world name="car_world"><physics name="1ms" type="ignored"><max_step_size>0.001</max_step_size><real_time_factor>1.0</real_time_factor></physics><pluginfilename="gz-sim-physics-system"name="gz::sim::systems::Physics"></plugin><pluginfilename="gz-sim-user-commands-system"name="gz::sim::systems::UserCommands"></plugin><pluginfilename="gz-sim-scene-broadcaster-system"name="gz::sim::systems::SceneBroadcaster"></plugin><light type="directional" name="sun"><cast_shadows>true</cast_shadows><pose>0 0 10 0 0 0</pose><diffuse>0.8 0.8 0.8 1</diffuse><specular>0.2 0.2 0.2 1</specular><attenuation><range>1000</range><constant>0.9</constant><linear>0.01</linear><quadratic>0.001</quadratic></attenuation><direction>-0.5 0.1 -0.9</direction></light><model name="ground_plane"><static>true</static><link name="link"><collision name="collision"><geometry><plane><normal>0 0 1</normal></plane></geometry></collision><visual name="visual"><geometry><plane><normal>0 0 1</normal><size>100 100</size></plane></geometry><material><ambient>0.8 0.8 0.8 1</ambient><diffuse>0.8 0.8 0.8 1</diffuse><specular>0.8 0.8 0.8 1</specular></material></visual></link></model><model name='vehicle_blue' canonical_link='chassis'><pose relative_to='world'>0 0 0 0 0 0</pose><link name='chassis'><pose relative_to='__model__'>0.5 0 0.4 0 0 0</pose><inertial><mass>1.14395</mass><inertia><ixx>0.095329</ixx><ixy>0</ixy><ixz>0</ixz><iyy>0.381317</iyy><iyz>0</iyz><izz>0.476646</izz></inertia></inertial><visual name='visual'><geometry><box><size>2.0 1.0 0.5</size></box></geometry><material><ambient>0.0 0.0 1.0 1</ambient><diffuse>0.0 0.0 1.0 1</diffuse><specular>0.0 0.0 1.0 1</specular></material></visual><collision name='collision'><geometry><box><size>2.0 1.0 0.5</size></box></geometry></collision></link><link name='left_wheel'><pose relative_to="chassis">-0.5 0.6 0 -1.5707 0 0</pose><inertial><mass>1</mass><inertia><ixx>0.043333</ixx><ixy>0</ixy><ixz>0</ixz><iyy>0.043333</iyy><iyz>0</iyz><izz>0.08</izz></inertia></inertial><visual name='visual'><geometry><cylinder><radius>0.4</radius><length>0.2</length></cylinder></geometry><material><ambient>1.0 0.0 0.0 1</ambient><diffuse>1.0 0.0 0.0 1</diffuse><specular>1.0 0.0 0.0 1</specular></material></visual><collision name='collision'><geometry><cylinder><radius>0.4</radius><length>0.2</length></cylinder></geometry></collision></link><link name='right_wheel'><pose relative_to="chassis">-0.5 -0.6 0 -1.5707 0 0</pose><inertial><mass>1</mass><inertia><ixx>0.043333</ixx><ixy>0</ixy><ixz>0</ixz><iyy>0.043333</iyy><iyz>0</iyz><izz>0.08</izz></inertia></inertial><visual name='visual'><geometry><cylinder><radius>0.4</radius><length>0.2</length></cylinder></geometry><material><ambient>1.0 0.0 0.0 1</ambient><diffuse>1.0 0.0 0.0 1</diffuse><specular>1.0 0.0 0.0 1</specular></material></visual><collision name='collision'><geometry><cylinder><radius>0.4</radius><length>0.2</length></cylinder></geometry></collision></link><frame name="caster_frame" attached_to='chassis'><pose>0.8 0 -0.2 0 0 0</pose></frame><link name='caster'><pose relative_to='caster_frame'/><inertial><mass>1</mass><inertia><ixx>0.016</ixx><ixy>0</ixy><ixz>0</ixz><iyy>0.016</iyy><iyz>0</iyz><izz>0.016</izz></inertia></inertial><visual name='visual'><geometry><sphere><radius>0.2</radius></sphere></geometry><material><ambient>0.0 1 0.0 1</ambient><diffuse>0.0 1 0.0 1</diffuse><specular>0.0 1 0.0 1</specular></material></visual><collision name='collision'><geometry><sphere><radius>0.2</radius></sphere></geometry></collision></link><joint name='left_wheel_joint' type='revolute'><pose relative_to='left_wheel'/><parent>chassis</parent><child>left_wheel</child><axis><xyz expressed_in='__model__'>0 1 0</xyz><limit><lower>-1.79769e+308</lower><upper>1.79769e+308</upper></limit></axis></joint><joint name='right_wheel_joint' type='revolute'><pose relative_to='right_wheel'/><parent>chassis</parent><child>right_wheel</child><axis><xyz expressed_in='__model__'>0 1 0</xyz><limit><lower>-1.79769e+308</lower><upper>1.79769e+308</upper></limit></axis></joint><joint name='caster_wheel' type='ball'><parent>chassis</parent><child>caster</child></joint></model></world>
</sdf>

五、启动运行机器人世界

1. 将上述完整代码保存为 building_robot.sdf 文件。
2. 打开终端，导航到文件所在目录。
3. 运行以下命令启动 Gazebo 模拟器：

gz sim building_robot.sdf

运行结果如下：

如上图所示，该世界包含一个底盘和两个轮子的机器人模型。可以通过 Gazebo 的界面工具进行进一步的交互和测试。通过以上步骤，我们已成功构建了一个简单的两轮机器人模型。后续可以继续探索如何为机器人添加更多的功能和特性。

参考文献

Gazebo Tutorials