Skip to content

Latest commit

 

History

History
473 lines (380 loc) · 12 KB

README.md

File metadata and controls

473 lines (380 loc) · 12 KB

Lab

TortoiseBot

Oczekiwania

Czyli prawdziwy i ładny model robota.

Rzeczywistość

Czyli prosty przykład edukacyjny z dwoma tylnymi napętami i obrotowym pasywnym kołem z przodu.

The Construct

Tworzymy nowy pusty ROSject na platformie The Construct, wersja ROS Noetic.

Workspace

Kompletny workspace z zajęć znajduje się w katalogu tortoisebot_ws.

Tworzymy nowy workspace lub korzystamy z obecnie dostępnego (np. catkin_ws):

mkdir -p tortoisebot_ws/src
cd tortoisebot_ws
catkin_make

Package

Wszystkie paczki w naszym projekcie powinny znajdować się w katalogu <nazwa workspace'a>/src/.... Tworzymy nową paczkę tortoisebot:

catkin_create_pkg tortoisebot rospy std_msgs actionlib_msgs message_generation

Następnie przechodzimy do katalogu głownego i wpisujemy*:

catkin_make
source ./devel/setup.bash

* Zamiast setup.bash możemy wykonać inny skrypt np. setup.sh, setup.zsh w zależności od naszego interpretera.

Planownaie nowego robota

  • Decyzja o wykorzystywnaiu ROS'a.
  • Niskopoziomowe oprogramowanie do sterowania silnikami.
  • Modelu struktury fizycznej robota.
  • Rozszerzony model z parametrami fizycznymi (w celu jego symulacji).
  • Sensory.
  • Algorytmy.

Hardware Interface

W prawdzimym robocie musielibyśmy zaimplementować niskopoziomowy interfejs do obsługi silników. Jest to bardzo zależne od sprzetu jaki posiadamy. Na potrzeby tego kursu pomijamy ten punkt i będziemy korzystać tylko z symulacji Gazebo.

tf

Package, który dostarcza odpowiedzi na pytania takie jak:

  • Jakie było położenie względem siebie dwóch układów 5 sekund temu?
  • Jaka jest pozycja obiektu w chwytaku manipulatora względem danego układu?
  • Jaka jest aktualna pozycja danego układu względem układu mapy?

roslaunch

ROS'owy launch to plik pozwalający na uruchamianie wielu nodów oraz ich konfiguracji za pomocą jednego polecenia:

roslaunch package_name file.launch

Wykorzystywane są w tym celu pliki w formacie XML z rozszerzeniem .launch. Przykładowy launch:

<launch>
  <!-- run main panorama node -->
  <node pkg="panorama" type="panorama.py" name="panorama" output="screen">
    <!-- remaps for each input -->
    <remap from="/cam_left" to="/panorama_dummy/cam_left/image_raw"/>
    <remap from="/cam_right" to="/panorama_dummy/cam_right/image_raw"/>
  </node>
</launch>

Często wykorzystywane tagi:

  • <node>
  • <include>
  • <remap>
  • <env>
  • <param>
  • <group>
  • <test>
  • <arg>

Messages

Podczas pracy nad naszym robotem będziemy wykorzystywać standardowe message:

  • geometry_msgs/Twist 
    geometry_msgs/Vector3 linear
  float64 x
  float64 y
  float64 z
geometry_msgs/Vector3 angular
  float64 x
  float64 y
  float64 z
  • nav_msgs/Odometry 
    std_msgs/Header header
  uint32 seq
  time stamp
  string frame_id
string child_frame_id
geometry_msgs/PoseWithCovariance pose
  geometry_msgs/Pose pose
    geometry_msgs/Point position
      float64 x
      float64 y
      float64 z
    geometry_msgs/Quaternion orientation
      float64 x
      float64 y
      float64 z
      float64 w
  float64[36] covariance
geometry_msgs/TwistWithCovariance twist
  geometry_msgs/Twist twist
    geometry_msgs/Vector3 linear
      float64 x
      float64 y
      float64 z
    geometry_msgs/Vector3 angular
      float64 x
      float64 y
      float64 z
  float64[36] covariance

Model

  • URDF (Unified Robot Description Format)
    • <link> - Bryła sztywna.
    • <joint> - Łączy dwa link'i ze sobą, definuje rodzaj ruchu między nimi.
  1. W paczce tortoisebot tworzymy katalog urdf (obok katalogu src).
  2. Tworzymy w nim nowy plik tortoisebot.urdf.

1. base_link

Do tortoisebot.urdf wrzucamy prosty XML z jedną bryłą:

<?xml version="1.0"?>
<robot name="tortoisebot">
  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.6 0.3 0.3"/>
      </geometry>
      <material name="silver">
        <color rgba="0.75 0.75 0.75 1"/>
      </material>
    </visual>
  </link>
</robot>

Korzystając z paczki urdf_tutorial możemy łatwo wyświetlić naszego URDF'a w RViz'ie:

roslaunch urdf_tutorial display.launch model:=tortoisebot.urdf

Możemy też wygenerować graf relacji pomiędzy link'ami i join'ami URDF'a:

urdf_to_graphiz tortoisebot.urdf

2. Przednie koło

  1. Dodajemy link połaczony joint'em z base_link'iem. Kod wrzucamy tak, aby był dzieckiem <robot> ... </robot>, (type="continuous" definiuje w jaki sposób linki mogą się ruszać względem siebie, dostępnych jest oczywiście więcej typów):

    <link name="front_caster">
  <visual>
    <geometry>
      <box size="0.1 0.1 0.3"/>
    </geometry>
    <material name="silver"/>
  </visual>
</link>

<joint name="front_caster_joint" type="continuous">
  <axis xyz="0 0 1"/>
  <parent link="base_link"/>
  <child link="front_caster"/>
  <origin rpy="0 0 0" xyz="0.3 0 0"/>
</joint>

  2. Dodajemy przednie koło:

    <link name="front_wheel">
  <visual>
    <geometry>
      <cylinder length="0.05" radius="0.035"/>
    </geometry>
    <material name="black"/>
  </visual>
</link>

<joint name="front_wheel_joint" type="continuous">
  <axis xyz="0 0 1"/>
  <parent link="front_caster"/>
  <child link="front_wheel"/>
  <origin rpy="-1.5708 0 0" xyz="0.05 0 -.15"/>
</joint>

  3. Sprawdzamy w RViz'ie czy wszystko działa:

    roslaunch urdf_tutorial display.launch model:=tortoisebot.urdf

  4. Dodając argument gui:=True możemy wyświetlić okienko pozwalające nam ręcznie ruszać join'ami:

    roslaunch urdf_tutorial display.launch model:=tortoisebot.urdf gui:=True

3. Tylne koła

  1. Dodajemy link'i i join'y do tylnych kół w taki sposób, aby były dziećmi <robot> ... </robot>.

    <link name="right_wheel">
  <visual>
    <geometry>
      <cylinder length="0.05" radius="0.035"/>
    </geometry>
    <material name="black">
      <color rgba="0 0 0 1"/>
    </material>
  </visual>
</link>

<joint name="right_wheel_joint" type="continuous">
  <axis xyz="0 0 1"/>
  <parent link="base_link"/>
  <child link="right_wheel"/>
  <origin rpy="-1.5708 0 0" xyz="-0.2825 -0.125 -.15"/>
</joint>

<link name="left_wheel">
  <visual>
    <geometry>
      <cylinder length="0.05" radius="0.035"/>
    </geometry>
      <material name="black"/>
  </visual>
</link>

<joint name="left_wheel_joint" type="continuous">
  <axis xyz="0 0 1"/>
  <parent link="base_link"/>
  <child link="left_wheel"/>
  <origin rpy="-1.5708 0 0" xyz="-0.2825 0.125 -.15"/>
</joint>

  2. Weryfikujamy czy wszystko ok:

    roslaunch urdf_tutorial display.launch model:=tortoisebot.urdf gui:=True

4. Przygotowanie do symulacji w Gazebo

Kolizje

Tag <collision> - rozmiar i kształt bryły dla wykrywanie kolizji w symulacji. Nie musi być tożsamy z <visual>.

  1. Dodajemy kolizję dla base_link bazując na tagu <visual>.

     <collision>
   <geometry>
     <box size="0.6 0.3 0.3"/>
   </geometry>
 </collision>

    ostatecznie base_link powinien wyglądać tak:

    <link name="base_link">
  <visual>
    <geometry>
      <box size="0.6 0.3 0.3"/>
    </geometry>
    <material name="silver">
      <color rgba="0.75 0.75 0.75 1"/>
    </material>
  </visual>
  <collision>
    <geometry>
      <box size="0.6 0.3 0.3"/>
    </geometry>
  </collision>
</link>

  2. Dodajemy kolizję dla caster'a:

 <collision>
   <geometry>
     <box size="0.1 0.1 0.3"/>
   </geometry>
 </collision>
  1. Na podstawie tagów <visual> definiujemy kolizje dla wszystkich 3 kół:
    • koło przednie: 
        <collision>
    <geometry>
      <cylinder length="0.05" radius="0.035"/>
    </geometry>
  </collision>
    • koło lewe i prawe: 
      <collision>
  <geometry>
    <cylinder length="0.05" radius="0.035"/>
  </geometry>
</collision>

Momenty bezwładności

Tag <inertial> definiuje moment bezwładności bryły dla obliczeń symulacji fizycznych. Przydatne wzory i obrazki.

  1. base_link: 
    <inertial>
  <mass value="1.0"/>
  <inertia ixx="0.015" iyy="0.0375" izz="0.0375"
          ixy="0" ixz="0" iyz="0"/>
</inertial>
  2. caster: 
     <inertial>
   <mass value="0.1"/>
   <inertia ixx="0.00083" iyy="0.00083" izz="0.000167"
           ixy="0" ixz="0" iyz="0"/>
 </inertial>
  3. koło przednie: 
     <inertial>
   <mass value="0.1"/>
   <inertia ixx="5.1458e-5" iyy="5.1458e-5" izz="6.125e-5"
           ixy="0" ixz="0" iyz="0"/>
 </inertial>
  4. koła tylne: 
    <inertial>
  <mass value="0.1"/>
  <inertia ixx="5.1458e-5" iyy="5.1458e-5" izz="6.125e-5"
          ixy="0" ixz="0" iyz="0"/>
</inertial>

Możemy ponownie wygenerować graf relacji pomiędzy link'ami i join'ami URDF'a:

urdf_to_graphiz tortoisebot.urdf

differential_drive_controller

Dodajemy differential_drive_controller plugin Gazebo, pozwalający na niskopoziomowe sterowanie kołami naszego robota. Gazebo zajmie się tłumaczeniem komend prędkości publikowanych na topic /cmd_vel na ruch robota.

<gazebo>
  <plugin name="differential_drive_controller"
          filename="libgazebo_ros_diff_drive.so">
    <leftJoint>left_wheel_joint</leftJoint>
    <rightJoint>right_wheel_joint</rightJoint>
    <robotBaseFrame>base_link</robotBaseFrame>
    <wheelSeparation>0.25</wheelSeparation>
    <wheelDiameter>0.07</wheelDiameter>
    <publishWheelJointState>true</publishWheelJointState>
  </plugin>
</gazebo>

roslaunch

  1. Tworzymy katalog launch w naszej paczce.

  2. Dodajemy do niego plik tortoisebot.launch:

    <launch>
  <param name="robot_description"
        textfile="$(find tortoisebot)/urdf/tortoisebot.urdf" />

  <include file="$(find gazebo_ros)/launch/empty_world.launch"/>

  <node name="spawn_urdf"
        pkg="gazebo_ros"
        type="spawn_model"
        args="-param robot_description -urdf -model tortoisebot" />
</launch>

  3. Uruchamiamy launch:

    roslaunch tortoisebot tortoisebot.launch

  4. Wyświetlona zostanie symulacja Gazebo.

teleop_twist_keyboard

  1. Aby sterować robotem możemy publikować na topic /cmd_vel wiadomości geometry_msgs/Twist.
  2. Możemy skorzystać z dobrodziejstw paczki teleop_twist_keyboard, która implementuje sterowanie robotem za pomocą klawiatury. Node zbiera input od użytkownika i również publikuje na /cmd_vel: 
    rosrun teleop_twist_keyboard teleop_twist_keyboard.py