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前言
这一篇文章主要是和大家分享一下关于ROS2 高级组件中的webots，会介绍关于webots的知识点，以及如何安装和测试环节，最后就是利用 webots 实现一个差速轮式机器人的运动仿真。
正文内容
webots 引入和学习资料
webots 是来自瑞士的 Cyberbotics 公司（Cyberbotics 官网）推出的机器人仿真软件，旨在降低机器人技术开发的门槛，并加速从理论到实践的转化过程。该平台用户群体非常广泛，涵盖了教育、科研和工业界。2018年以前，webots 是一款商业软件，2018年12月以后，Webots作为开放源码软件在Apache 2.0许可下发布（webots github）。
webots 和 ros：webots 本身是一款独立的仿真软件，跟 ros 没有关系。后来，ros1 有了 webots_ros 软件包，ros2 有了 webots_ros2 软件包，从而打通了 ros 与 webots 之间的接口，使得两者之间可以顺利通信。
webots 安装以及样例测试
（1）webots 安装：由于 webots 是从商业转向的开源，因此安装非常简单，如下。本系列 ros2 文章的基础环境是 Ubuntu22.04 + ros2 humble，安装的 webots 版本是 webotsR2023b。
cd ~
# webots_ros2
sudo apt-get install ros-humble-webots-ros2
# ~/.ros/webotsR2023b/webots
ros2 launch webots_ros2_universal_robot multirobot_launch.py
# WEBOTS_HOME
export WEBOTS_HOME=/home/ycao/.ros/webotsR2023b/webots
（2）在 webots_ros2 中，利用 webots 实现了多种机器人仿真，包括 TurtleBot3 ，Tesla Model3，测试 TurtleBot3 :
# TurtleBot3
ros2 launch webots_ros2_turtlebot robot_launch.pyros2 run teleop_twist_keyboard teleop_twist_keyboard
测试 Tesla Model3
ros2 launch webots_ros2_tesla robot_launch.py
自编写 webots_demo
（1）创建 webots_demo 软件包以及相关文件
cd ~/colcon_ws/src
ros2 pkg create --build-type ament_python --license Apache-2.0 webots_demo --dependencies rclpy geometry_msgs webots_ros2_driver
cd webots_demo
mkdir launch worlds
touch launch/mbot_launch.py
touch resource/mbot.urdf
touch webots_demo/mbot_driver.py webots_demo/obstacle_avoider.py
（2）在 worlds 目录中添加 my_world.wbt，这个文件是 webots 的建模文件，里面包含虚拟仿真环境和一个差速轮式机器人。
（3）编写 mbot_driver.py：这是差速轮式机器人车轮电机控制程序
import rclpy
from geometry_msgs.msg import TwistHALF_DISTANCE_BETWEEN_WHEELS = 0.045
WHEEL_RADIUS = 0.025class MbotDriver:def init(self, webots_node, properties):self._robot = webots_node.robotself._left_motor = self._robot.getDevice('left wheel motor')self._right_motor = self._robot.getDevice('right wheel motor')self._left_motor.setPosition(float('inf'))self._left_motor.setVelocity(0)self._right_motor.setPosition(float('inf'))self._right_motor.setVelocity(0)self._target_twist = Twist()rclpy.init(args=None)self._node = rclpy.create_node('mbot_driver')self._node.create_subscription(Twist, 'cmd_vel', self._cmd_vel_callback, 1)def _cmd_vel_callback(self, twist):self._target_twist = twistdef step(self):rclpy.spin_once(self._node, timeout_sec=0)forward_speed = self._target_twist.linear.xangular_speed = self._target_twist.angular.zcommand_motor_left = (forward_speed - angular_speed * HALF_DISTANCE_BETWEEN_WHEELS) / WHEEL_RADIUScommand_motor_right = (forward_speed + angular_speed * HALF_DISTANCE_BETWEEN_WHEELS) / WHEEL_RADIUSself._left_motor.setVelocity(command_motor_left)self._right_motor.setVelocity(command_motor_right)
（4）编写 mbot.urdf：这是差速轮式机器人的 URDF 描述文件（Unified Robot Description Format，统一的机器人描述文件格式，使用 xml 格式），为机器人添加了左右距离传感器，并指定了车轮电机控制器。
<?xml version="1.0" ?>
<robot name="My robot"><webots><device reference="ds0" type="DistanceSensor"><ros><topicName>/left_sensor</topicName><alwaysOn>true</alwaysOn></ros></device><device reference="ds1" type="DistanceSensor"><ros><topicName>/right_sensor</topicName><alwaysOn>true</alwaysOn></ros></device> <plugin type="webots_demo.mbot_driver.MbotDriver" /></webots>
</robot>
（5）编写 obstacle_avoider.py：这个程序基于左右距离传感器的数据，通过 cmd_vel topic 控制机器人避障。
import rclpy
from rclpy.node import Node
from sensor_msgs.msg import Range
from geometry_msgs.msg import TwistMAX_RANGE = 0.15class ObstacleAvoider(Node):def __init__(self):super().__init__('obstacle_avoider')self._publisher = self.create_publisher(Twist, 'cmd_vel', 1)self.create_subscription(Range, 'left_sensor', self._left_sensor_callback, 1)self.create_subscription(Range, 'right_sensor', self._right_sensor_callback, 1)def _left_sensor_callback(self, message):self._left_sensor_value = message.rangedef _right_sensor_callback(self, message):self._right_sensor_value = message.rangecommand_message = Twist()command_message.linear.x = 0.1if self._left_sensor_value < 0.9 * MAX_RANGE or self._right_sensor_value < 0.9 * MAX_RANGE:command_message.angular.z = -2.0self._publisher.publish(command_message)def main(args=None):rclpy.init(args=args)avoider = ObstacleAvoider()rclpy.spin(avoider)avoider.destroy_node()rclpy.shutdown()if __name__ == '__main__':main()
（6）编写 mbot_launch.py ：
import os
import launch
from launch_ros.actions import Node
from launch import LaunchDescription
from ament_index_python.packages import get_package_share_directory
from webots_ros2_driver.webots_launcher import WebotsLauncher
from webots_ros2_driver.webots_controller import WebotsControllerdef generate_launch_description():package_dir = get_package_share_directory('webots_demo')mbot_description_path = os.path.join(package_dir, 'resource', 'mbot.urdf')# https://cyberbotics.com/doc/guide/tutorialswebots_world = WebotsLauncher(world=os.path.join(package_dir, 'worlds', 'my_world.wbt'))mbot_controller = WebotsController(robot_name='mbot_car',parameters=[{'robot_description': mbot_description_path},], )obstacle_avoider = Node(package='webots_demo',executable='obstacle_avoider',)return LaunchDescription([webots_world,mbot_controller,obstacle_avoider,launch.actions.RegisterEventHandler(event_handler=launch.event_handlers.OnProcessExit(target_action=webots_world,on_exit=[launch.actions.EmitEvent(event=launch.events.Shutdown())],))])
（7）修改 setup.py
import os
from glob import glob
from setuptools import find_packages, setuppackage_name = 'webots_demo'setup(name=package_name,version='0.0.0',packages=find_packages(exclude=['test']),data_files=[('share/ament_index/resource_index/packages',['resource/' + package_name]),('share/' + package_name, ['package.xml']),(os.path.join('share', package_name, 'launch'), glob(os.path.join('launch', '*_launch.py'))),(os.path.join('share', package_name, 'worlds'), glob(os.path.join('worlds', '*.wbt'))),(os.path.join('share', package_name, 'resource'), glob(os.path.join('resource', '*.urdf')))],install_requires=['setuptools'],zip_safe=True,maintainer='ycao',maintainer_email='1641395022@qq.com',description='TODO: Package description',license='Apache-2.0',tests_require=['pytest'],entry_points={'console_scripts': ['mbot_driver = webots_demo.mbot_driver:main','obstacle_avoider = webots_demo.obstacle_avoider:main'],},
)
（8）编译并运行
cd ~/colcon_ws/src
colcon build --packages-select webots_demo
source install/local_setup.bash
ros2 launch webots_demo mbot_launch.py
总结
本文主要通过一个差速轮式机器人仿真样例，为大家引入 webots ，但没有深入探究 webots 的建模细节。 有兴趣的朋友可以自己深入研究一下内容哟。