Gazebo之SDF简介

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筋斗云
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Gazebo之SDF简介

1. 源由

Gazebo在Ardupilot开源3D模拟仿真上被广泛使用。

通过SDFormat(Simulation Description Format)构建Ardupilot仿真世界，并如何向其中添加模型。

2. SDF简介

Gazebo作为开源项目，为仿真带来了全新的方法，提供了完整的开发库和云服务工具箱，使仿真变得简单。

在高保真传感器数据流的现实环境中，快速迭代您的新物理设计。在安全的环境中测试控制策略，并在持续集成测试中利用仿真。

SDFormat（Simulation Description Format），有时缩写为 SDF，是一种 XML 格式，用于描述机器人模拟器、可视化和控制的对象和环境。

3. SDF世界

3.1 定义World

<?xml version="1.0" ?> <sdf version="1.8">     <world name="world_demo">     ...     ...     </world> </sdf>

前两个标签定义了 XML 和 SDF 的版本。然后是 <world> </world> 标签，所有内容都在这对标签之间。

3.2 定义Physics

<physics name="1ms" type="ignored">     <max_step_size>0.001</max_step_size>     <real_time_factor>1.0</real_time_factor> </physics>

physics 标签指定了动态引擎的类型和属性。

  • 选择 name 1ms，因为步长是1毫秒。
  • type 是动态引擎（物理库）的类型。有 Ode、Bullet、Simbody 和 Dart 等选项。我们将其设置为 ignored，因为选择物理引擎的类型尚未通过此标签完成。
  • <max_step_size> 是仿真中每个系统与世界状态交互的最大时间。值越小，计算越精确，但需要更多的计算能力。
  • <real_time_factor> 是仿真时间与实际时间的比率。

3.3 定义Plugins

插件是一段动态加载的代码。

3.3.1 Physics plugin

<plugin     filename="gz-sim-physics-system"     name="gz::sim::systems::Physics"> </plugin>

Physics 插件对于模拟世界的动态非常重要。

3.3.2 UserCommands plugin

<plugin     filename="gz-sim-user-commands-system"     name="gz::sim::systems::UserCommands"> </plugin>

UserCommands 插件负责创建模型、移动模型、删除模型以及许多其他用户命令。

3.3.3 SceneBroadcaster plugin

<plugin     filename="gz-sim-scene-broadcaster-system"     name="gz::sim::systems::SceneBroadcaster"> </plugin>

SceneBroadcaster 插件显示我们的世界场景。

3.4 定义GUI

<gui fullscreen="0">     ...     ... </gui>

Gazebo GUI 有许多插件可供选择。

  • camera_fps
  • camera_tracking
  • camera_tracking_config
  • grid_config
  • image_display
  • interactive_view_control
  • key_publisher
  • marker_manager
  • minimal_scene
  • navsat_map
  • plotting
  • point_cloud
  • screenshot
  • shutdown_button
  • tape_measure
  • teleop
  • topic_echo
  • topic_viewer
  • transport_scene_manager
  • world_control
  • world_stats
  • … …

添加一些必要的插件，以使我们的世界能够具有基本的功能并运行起来。

3.4.1 MinimalScene/GzSceneManager

MinimalScene 和 GzSceneManager 使我们的世界具备基本功能并运行起来的必要插件， 负责显示我们世界的 3D 场景。它具有以下属性（大多数 GUI 插件也具有这些属性）：

  • showTitleBar 如果为 true，它将在插件上方显示蓝色标题栏，标题栏显示在 <title> 标签中指定的名称。
  • state 是插件的状态，可以使用 docked 将其停靠在其位置，也可以是 floating 状态。

对于渲染引擎，我们可以选择 ogre 或 ogre2。<ambient_light> 和 <background_color> 指定场景的环境光和背景色。<camera_pose> 指定摄像机的 X、Y、Z 位置，后跟其滚动、俯仰和偏航旋转。

<!-- 3D scene --> <plugin filename="MinimalScene" name="3D View">   <gz-gui>     <title>3D View</title>     <property type="bool" key="showTitleBar">false</property>     <property type="string" key="state">docked</property>   </gz-gui>    <engine>ogre2</engine>   <scene>scene</scene>   <ambient_light>0.4 0.4 0.4</ambient_light>   <background_color>0.8 0.8 0.8</background_color>   <camera_pose>-6 0 6 0 0.5 0</camera_pose>   <camera_clip>     <near>0.25</near>     <far>25000</far>   </camera_clip> </plugin> <plugin filename="GzSceneManager" name="Scene Manager">   <gz-gui>     <property key="resizable" type="bool">false</property>     <property key="width" type="double">5</property>     <property key="height" type="double">5</property>     <property key="state" type="string">floating</property>     <property key="showTitleBar" type="bool">false</property>   </gz-gui> </plugin>

3.4.2 World control plugin

负责控制整个世界。其一些属性如下：

  • <play_pause> 如果为 true，则在左下角会有播放/暂停按钮。
  • <stats_topic> 标签指定发布世界统计信息（如仿真时间和实际时间）的主题。
  • <start_paused> 如果为 true，则 Gazebo 启动时仿真将暂停。
<!-- World control --> <plugin filename="WorldControl" name="World control">     <gz-gui>         <title>World control</title>         <property type="bool" key="showTitleBar">false</property>         <property type="bool" key="resizable">false</property>         <property type="double" key="height">72</property>         <property type="double" key="width">121</property>         <property type="double" key="z">1</property>          <property type="string" key="state">floating</property>         <anchors target="3D View">         <line own="left" target="left"/>         <line own="bottom" target="bottom"/>         </anchors>     </gz-gui>      <play_pause>true</play_pause>     <step>true</step>     <start_paused>true</start_paused>     <service>/world/world_demo/control</service>     <stats_topic>/world/world_demo/stats</stats_topic> </plugin>

3.4.3 World stats plugin

负责显示世界统计信息，包括 <sim_time>、<real_time>、<real_time_factor> 和 <iterations>。

通过这些标签，我们可以选择要显示的值（展开右下角以查看这些值）。我们可以选择这些值将发布到哪个 <topic> 上。让我们尝试运行世界并监听该主题。

<!-- World statistics --> <plugin filename="WorldStats" name="World stats">     <gz-gui>         <title>World stats</title>         <property type="bool" key="showTitleBar">false</property>         <property type="bool" key="resizable">false</property>         <property type="double" key="height">110</property>         <property type="double" key="width">290</property>         <property type="double" key="z">1</property>          <property type="string" key="state">floating</property>         <anchors target="3D View">         <line own="right" target="right"/>         <line own="bottom" target="bottom"/>         </anchors>     </gz-gui>      <sim_time>true</sim_time>     <real_time>true</real_time>     <real_time_factor>true</real_time_factor>     <iterations>true</iterations>     <topic>/world/world_demo/stats</topic>  </plugin>

3.5 Entity tree plugin

在这个插件中，我们可以看到我们世界中的所有实体（仿真中的所有事物都被视为“实体”）。我们可以看到不同的模型、太阳以及它们的链接、视觉效果和碰撞。

<!-- Entity tree --> <plugin filename="EntityTree" name="Entity tree"> </plugin>

3.6 定义Light

  • 指定世界中的光源。光源的 可以是点光源、方向光源或聚光灯。
  • 是光源相对于 relative_to 属性中指定的框架的位置（x, y, z）和方向（滚动、俯仰、偏航）；在我们的例子中（relative_to 属性被忽略）是相对于世界的。
  • <cast_shadows> 如果为 true，光源将投射阴影。 和 是漫反射光和镜面反射光的颜色。
  • 指定光源的衰减特性，包括：
    • 是光源的范围。
    • 是常数衰减系数，1 表示从不衰减，0 表示完全衰减。
    • 是线性衰减系数，1 表示在整个距离内均匀衰减。
    • 是二次衰减系数，为衰减添加曲率。
    • 是光源的方向，仅适用于聚光灯和方向光。
<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>

4. models

可以使用已经构建好的模型，而不是自己构建模型。Gazebo Fuel 提供了数百个可以轻松添加到 Gazebo 世界中的模型。可以按以下方式添加模型。

4.1 模型链接

访问 Gazebo Fuel 网站，选择你喜欢的模型，然后点击模型描述页面上的 <> 图标。这将把一个 SDF 代码片段复制到你的剪贴板，然后将其粘贴到你的世界中的关闭 标签的正上方，如下所示：

<include>     <uri>     https://fuel.gazebosim.org/1.0/OpenRobotics/models/Coke     </uri> </include>

4.2 模型下载

前面的方法在运行时下载你的模型，然后像这样引用它：

<include>     <uri>     model://Coke     </uri> </include>

从 Gazebo Fuel 下载模型保存模型，如果如下所示目录：

world_tutorial ├── Coke └── world_demo.sdf

同时需要将 GZ_SIM_RESOURCE_PATH 环境变量设置为模型的父文件夹。

$ export GZ_SIM_RESOURCE_PATH=`pwd`

5. SDF测试

测试资料：SnapLearnGazebo/lesson_01_sdf

5.1 运行SDF(模型下载本地)

$ export GZ_SIM_RESOURCE_PATH=`pwd` $ gz sim world_demo_local.sdf

5.2 运行SDF(模型网络连接)

$ export https_proxy=http:192.168.1.10:808 $ gz sim world_demo_uri.sdf

6. 参考资料

【1】ArduPilot开源代码之ROS2Humble+CartographerSLAM+SITL+Gazebo
【2】ArduPilot飞控之Gazebo + SITL + MP的Jetson Orin环境搭建
【3】ArduPilot飞控之ubuntu22.04-Gazebo模拟
【4】PX4模块设计之七：Ubuntu 20.04搭建Gazebo模拟器

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