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Harmonic差速底盘仿真

更新于 2023-12-30约 2 分钟阅读

自己建立一个差速底盘模型。控制器使用轮子反馈计算里程计，并与世界位姿对照。

1.示例 1：完整模型

保存 urdf/diff_gz.urdf.xacro：

<?xml version="1.0"?>
<robot name="learning_diffbot" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro">
  <link name="base_link">
    <inertial><mass value="2"/><inertia ixx="0.02" ixy="0" ixz="0" iyy="0.03" iyz="0" izz="0.04"/></inertial>
    <visual><geometry><box size="0.3 0.2 0.08"/></geometry></visual>
    <collision><geometry><box size="0.3 0.2 0.08"/></geometry></collision>
  </link>

  <link name="left_wheel">
    <inertial><mass value="0.2"/><inertia ixx="0.00014" ixy="0" ixz="0" iyy="0.00025" iyz="0" izz="0.00014"/></inertial>
    <visual><origin rpy="1.57079632679 0 0"/><geometry><cylinder radius="0.05" length="0.03"/></geometry></visual>
    <collision><origin rpy="1.57079632679 0 0"/><geometry><cylinder radius="0.05" length="0.03"/></geometry></collision>
  </link>
  <joint name="left_wheel_joint" type="continuous">
    <parent link="base_link"/><child link="left_wheel"/>
    <origin xyz="0 0.15 0"/><axis xyz="0 1 0"/>
    <limit effort="5" velocity="20"/>
  </joint>

  <link name="right_wheel">
    <inertial><mass value="0.2"/><inertia ixx="0.00014" ixy="0" ixz="0" iyy="0.00025" iyz="0" izz="0.00014"/></inertial>
    <visual><origin rpy="1.57079632679 0 0"/><geometry><cylinder radius="0.05" length="0.03"/></geometry></visual>
    <collision><origin rpy="1.57079632679 0 0"/><geometry><cylinder radius="0.05" length="0.03"/></geometry></collision>
  </link>
  <joint name="right_wheel_joint" type="continuous">
    <parent link="base_link"/><child link="right_wheel"/>
    <origin xyz="0 -0.15 0"/><axis xyz="0 1 0"/>
    <limit effort="5" velocity="20"/>
  </joint>

  <link name="front_caster">
    <inertial><mass value="0.02"/><inertia ixx="0.0000032" ixy="0" ixz="0" iyy="0.0000032" iyz="0" izz="0.0000032"/></inertial>
    <visual><geometry><sphere radius="0.02"/></geometry></visual>
    <collision><geometry><sphere radius="0.02"/></geometry></collision>
  </link>
  <joint name="front_caster_fixed" type="fixed"><parent link="base_link"/><child link="front_caster"/><origin xyz="0.12 0 -0.03"/></joint>
  <gazebo reference="front_caster"><mu1>0.0</mu1><mu2>0.0</mu2></gazebo>

  <link name="rear_caster">
    <inertial><mass value="0.02"/><inertia ixx="0.0000032" ixy="0" ixz="0" iyy="0.0000032" iyz="0" izz="0.0000032"/></inertial>
    <visual><geometry><sphere radius="0.02"/></geometry></visual>
    <collision><geometry><sphere radius="0.02"/></geometry></collision>
  </link>
  <joint name="rear_caster_fixed" type="fixed"><parent link="base_link"/><child link="rear_caster"/><origin xyz="-0.12 0 -0.03"/></joint>
  <gazebo reference="rear_caster"><mu1>0.0</mu1><mu2>0.0</mu2></gazebo>

  <ros2_control name="DiffSystem" type="system">
    <hardware><plugin>gz_ros2_control/GazeboSimSystem</plugin></hardware>
    <joint name="left_wheel_joint"><command_interface name="velocity"/>
      <state_interface name="position"/><state_interface name="velocity"/>
    </joint>
    <joint name="right_wheel_joint"><command_interface name="velocity"/>
      <state_interface name="position"/><state_interface name="velocity"/>
    </joint>
  </ros2_control>

  <gazebo>
    <plugin filename="libgz_ros2_control-system.so" name="gz_ros2_control::GazeboSimROS2ControlPlugin">
      <parameters>$(find jazzy_control_hardware)/config/diff_controllers.yaml</parameters>
    </plugin>
  </gazebo>
</robot>

车体 x 朝前、y 朝左，两轮轴沿 +y；轮距 0.30 m、半径 0.05 m。前后支撑球降低转弯阻力。参数用于教学，不代表某台真实机器人的辨识结果。

2.示例 2：完整配置

保存 config/diff_controllers.yaml，并在 package.xml 增加 diff_drive_controller 运行依赖：

<exec_depend>diff_drive_controller</exec_depend>

controller_manager:
  ros__parameters:
    update_rate: 100
    joint_state_broadcaster:
      type: joint_state_broadcaster/JointStateBroadcaster
    diff_controller:
      type: diff_drive_controller/DiffDriveController
diff_controller:
  ros__parameters:
    left_wheel_names: [left_wheel_joint]
    right_wheel_names: [right_wheel_joint]
    wheel_separation: 0.30
    wheel_radius: 0.05
    position_feedback: true
    open_loop: false
    cmd_vel_timeout: 0.5
    publish_rate: 50.0
    odom_frame_id: odom
    base_frame_id: base_link
    enable_odom_tf: true

本例 open_loop=false，输入为 /diff_controller/cmd_vel，类型 TwistStamped。不要使用无时间戳 Twist，也不要从其它版本配置中搬入 use_stamped_vel。

3.编译运行

cd ~/ros2_control_jazzy_ws
colcon build --symlink-install --packages-select jazzy_control_hardware
source install/setup.bash

ros2 launch jazzy_control_hardware sim.launch.py gui:=false \
  model:=$(ros2 pkg prefix jazzy_control_hardware)/share/jazzy_control_hardware/urdf/diff_gz.urdf.xacro \
  config:=$(ros2 pkg prefix jazzy_control_hardware)/share/jazzy_control_hardware/config/diff_controllers.yaml \
  controller:=diff_controller

另一终端 source 学习工作区后：

ros2 topic pub --rate 10 --use-sim-time /diff_controller/cmd_vel \
  geometry_msgs/msg/TwistStamped \
  "{header: auto, twist: {linear: {x: 0.08}, angular: {z: 0.0}}}"

这里必须让时间戳来自 /clock。等待仿真时钟开始前进后，再检查命令是否被接收。

4.示例 3：确认车体确实运动

ros2 topic echo /diff_controller/odom
ros2 topic echo /joint_states
gz topic -e -n 1 -t /world/empty/pose/info

按模型名找到 learning_robot，比较不同时刻的 position。轮子里程计与世界位姿可能因接触和打滑而不同；只看到轮子转动不能证明车体移动。

停止直行发布后，可将 angular.z 改为 0.3、linear.x 改为 0 来观察转弯。停止发布后检查速度目标归零和实际停车过程。

4.1.排查顺序

控制器不 active 先查接口和参数；轮子不转先查目标与时钟；轮子转而车不走再查碰撞、摩擦、轴向和接触。不要用 open_loop=true 掩盖物理模型问题。

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