【ROS进阶篇】第九讲 URDF的编程优化Xacro使用

前言

在上一节博客中我们系统的学习了URDF的具体使用方法和实例练习，但是在学习的过程中我们也能够发现直接编辑URDF文件存在诸多问题，例如关节参数问题和代码复用性问题，本节博客就主要介绍一种关于XML语言的编程优化方法，Xacro，在实际的URDF编程中热门的优化方法，从基本概念、语法讲解到实际机器人举例进行深入探讨。

一、Xacro的基本概念

• 概念：XML Macros的缩写，本质上是一种XML宏语言，是可编程的XML

• 目的：解决URDF在构建机器人模型过程中存在的固有问题：

1. 连杆、关节的重要参数计算问题：手动通过固定公式计算，容易出现失误，且效率很低；
2. 内容高度重复性：对于相同的机器人部件，URDF文件代码相同，但是需要重复编程，缺乏复用性；

• 原理：通过变量和函数优化代码构建过程

1. 声明变量：通过数学运算计算重要参数，将数据记录在变量中，提高效率及安全性；
2. 封装函数：使用流程控制顺序，封装固定逻辑，提高代码复用性

• 作用：提高编写效率，通过使用宏命令构建更精悍短小但又具有更高可读性的XML文件，扩展达到更大的XML表达范围

• 特点：
  \qquad 1. 提供了可编程接口，包含变量声明调用、函数声明与调用等语法实现；
  \qquad 2. 在使用xacro生成文件时，根标签robot必须包含命名空间声明：xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro"

二、Xacro的语法详解

1. 属性与算术运算：

\qquad 作用：封装URDF中的字段，例如小车尺寸、轮子半径等

\qquad 属性定义：即声明变量，定义格式如下

		<xacro:property name="xxxx" value="yyyy" />

\qquad 属性调用：变量调用格式：${属性名称}

\qquad 算术运算：变量计算格式：${数学表达式}

2. 宏：

\qquad 作用：函数实现，提高代码复用率，优化代码结构，提高安全性

\qquad 宏定义：即函数定义，定义格式如下

		<xacro:macro name="宏名称" params="参数列表(多参数之间使用空格分隔)">
		    .....
		
		    参数调用格式: ${参数名}
		</xacro:macro>

\qquad 宏调用：函数调用格式：

		<xacro:宏名称 参数1=xxx 参数2=xxx/>

3. 文件包含集成：

\qquad 作用：将机器人的不同部件封装为单独的xacro文件，将文件集成组成为完整机器人，可以使用文件包含实现

\qquad 文件包含格式 ：

		<robot name="xxx" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
		      <xacro:include filename="my_base.xacro" />
		      <xacro:include filename="my_camera.xacro" />
		      <xacro:include filename="my_laser.xacro" />
		      ....
		</robot>

三、实际机器人模型示例

1. 目标机器人与实现流程：

• 目标：拥有两个驱动轮、两个支撑轮的圆柱状小车，并添加摄像头和雷达传感器，效果如下图：

• 实现流程：

1. 编写底盘的xacro文件；
2. 编写摄像头和雷达的xacro文件；
3. 编写组合文件，组合小车各部分；
4. 编写launch文件启动Rviz显示模型；

2. 编写xacro文件：

• 小车底盘实现：

<!-- 使用 xacro 优化 URDF 版的小车底盘实现： 实现思路: 1.将一些常量、变量封装为 xacro:property 比如:PI 值、小车底盘半径、离地间距、车轮半径、宽度 .... 2.使用 宏 封装驱动轮以及支撑轮实现，调用相关宏生成驱动轮与支撑轮 -->
<!-- 根标签，必须声明 xmlns:xacro -->
<robot name="my_base" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro">
    <!-- 封装变量、常量 -->
    <xacro:property name="PI" value="3.141"/>
    <!-- 宏:黑色设置 -->
    <material name="black">
        <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0" />
    </material>
    <!-- 底盘属性 -->
    <xacro:property name="base_footprint_radius" value="0.001" /> <!-- base_footprint 半径 -->
    <xacro:property name="base_link_radius" value="0.1" /> <!-- base_link 半径 -->
    <xacro:property name="base_link_length" value="0.08" /> <!-- base_link 长 -->
    <xacro:property name="earth_space" value="0.015" /> <!-- 离地间距 -->

    <!-- 底盘 -->
    <link name="base_footprint">
      <visual>
        <geometry>
          <sphere radius="${base_footprint_radius}" />
        </geometry>
      </visual>
    </link>

    <link name="base_link">
      <visual>
        <geometry>
          <cylinder radius="${base_link_radius}" length="${base_link_length}" />
        </geometry>
        <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
        <material name="yellow">
          <color rgba="0.5 0.3 0.0 0.5" />
        </material>
      </visual>
    </link>

    <joint name="base_link2base_footprint" type="fixed">
      <parent link="base_footprint" />
      <child link="base_link" />
      <origin xyz="0 0 ${earth_space + base_link_length / 2 }" />
    </joint>

    <!-- 驱动轮 -->
    <!-- 驱动轮属性 -->
    <xacro:property name="wheel_radius" value="0.0325" /><!-- 半径 -->
    <xacro:property name="wheel_length" value="0.015" /><!-- 宽度 -->
    <!-- 驱动轮宏实现 -->
    <xacro:macro name="add_wheels" params="name flag">
      <link name="${name}_wheel">
        <visual>
          <geometry>
            <cylinder radius="${wheel_radius}" length="${wheel_length}" />
          </geometry>
          <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="${PI / 2} 0.0 0.0" />
          <material name="black" />
        </visual>
      </link>

      <joint name="${name}_wheel2base_link" type="continuous">
        <parent link="base_link" />
        <child link="${name}_wheel" />
        <origin xyz="0 ${flag * base_link_radius} ${-(earth_space + base_link_length / 2 - wheel_radius) }" />
        <axis xyz="0 1 0" />
      </joint>
    </xacro:macro>
    <xacro:add_wheels name="left" flag="1" />
    <xacro:add_wheels name="right" flag="-1" />
    <!-- 支撑轮 -->
    <!-- 支撑轮属性 -->
    <xacro:property name="support_wheel_radius" value="0.0075" /> <!-- 支撑轮半径 -->

    <!-- 支撑轮宏 -->
    <xacro:macro name="add_support_wheel" params="name flag" >
      <link name="${name}_wheel">
        <visual>
            <geometry>
                <sphere radius="${support_wheel_radius}" />
            </geometry>
            <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0" />
            <material name="black" />
        </visual>
      </link>

      <joint name="${name}_wheel2base_link" type="continuous">
          <parent link="base_link" />
          <child link="${name}_wheel" />
          <origin xyz="${flag * (base_link_radius - support_wheel_radius)} 0 ${-(base_link_length / 2 + earth_space / 2)}" />
          <axis xyz="1 1 1" />
      </joint>
    </xacro:macro>

    <xacro:add_support_wheel name="front" flag="1" />
    <xacro:add_support_wheel name="back" flag="-1" />

</robot>

• 摄像头xacro文件：

<!-- 摄像头相关的 xacro 文件 -->
<robot name="my_camera" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
    <!-- 摄像头属性 -->
    <xacro:property name="camera_length" value="0.01" /> <!-- 摄像头长度(x) -->
    <xacro:property name="camera_width" value="0.025" /> <!-- 摄像头宽度(y) -->
    <xacro:property name="camera_height" value="0.025" /> <!-- 摄像头高度(z) -->
    <xacro:property name="camera_x" value="0.08" /> <!-- 摄像头安装的x坐标 -->
    <xacro:property name="camera_y" value="0.0" /> <!-- 摄像头安装的y坐标 -->
    <xacro:property name="camera_z" value="${base_link_length / 2 + camera_height / 2}" /> <!-- 摄像头安装的z坐标:底盘高度 / 2 + 摄像头高度 / 2 -->

    <!-- 摄像头关节以及link -->
    <link name="camera">
        <visual>
            <geometry>
                <box size="${camera_length} ${camera_width} ${camera_height}" />
            </geometry>
            <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" />
            <material name="black" />
        </visual>
    </link>

    <joint name="camera2base_link" type="fixed">
        <parent link="base_link" />
        <child link="camera" />
        <origin xyz="${camera_x} ${camera_y} ${camera_z}" />
    </joint>
</robot>

• 雷达xacro文件：

<!-- 小车底盘添加雷达 -->
<robot name="my_laser" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">

    <!-- 雷达支架 -->
    <xacro:property name="support_length" value="0.15" /> <!-- 支架长度 -->
    <xacro:property name="support_radius" value="0.01" /> <!-- 支架半径 -->
    <xacro:property name="support_x" value="0.0" /> <!-- 支架安装的x坐标 -->
    <xacro:property name="support_y" value="0.0" /> <!-- 支架安装的y坐标 -->
    <xacro:property name="support_z" value="${base_link_length / 2 + support_length / 2}" /> <!-- 支架安装的z坐标:底盘高度 / 2 + 支架高度 / 2 -->

    <link name="support">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="${support_radius}" length="${support_length}" />
            </geometry>
            <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" />
            <material name="red">
                <color rgba="0.8 0.2 0.0 0.8" />
            </material>
        </visual>
    </link>

    <joint name="support2base_link" type="fixed">
        <parent link="base_link" />
        <child link="support" />
        <origin xyz="${support_x} ${support_y} ${support_z}" />
    </joint>


    <!-- 雷达属性 -->
    <xacro:property name="laser_length" value="0.05" /> <!-- 雷达长度 -->
    <xacro:property name="laser_radius" value="0.03" /> <!-- 雷达半径 -->
    <xacro:property name="laser_x" value="0.0" /> <!-- 雷达安装的x坐标 -->
    <xacro:property name="laser_y" value="0.0" /> <!-- 雷达安装的y坐标 -->
    <xacro:property name="laser_z" value="${support_length / 2 + laser_length / 2}" /> <!-- 雷达安装的z坐标:支架高度 / 2 + 雷达高度 / 2 -->

    <!-- 雷达关节以及link -->
    <link name="laser">
        <visual>
            <geometry>
                <cylinder radius="${laser_radius}" length="${laser_length}" />
            </geometry>
            <origin xyz="0.0 0.0 0.0" rpy="0.0 0.0 0.0" />
            <material name="black" />
        </visual>
    </link>

    <joint name="laser2support" type="fixed">
        <parent link="support" />
        <child link="laser" />
        <origin xyz="${laser_x} ${laser_y} ${laser_z}" />
    </joint>
</robot>

3. 组合与启动：

• 组合小车模型文件：

<!-- 组合小车底盘与摄像头与雷达 -->
<robot name="my_car_camera" xmlns:xacro="http://wiki.ros.org/xacro">
    <xacro:include filename="my_base.urdf.xacro" />
    <xacro:include filename="my_camera.urdf.xacro" />
    <xacro:include filename="my_laser.urdf.xacro" />
</robot>

• 集成launch文件：

\qquad 1) 先转换成urdf文件后集成：

1. 先将 xacro 文件解析成 urdf 文件：

rosrun xacro xacro xxx.xacro > xxx.urdf

2. 直接整合launch文件：

<launch>
   <param name="robot_description" textfile="$(find demo01_urdf_helloworld)/urdf/xacro/my_base_camera_laser.urdf.xacro" />" />
   <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find demo01_urdf_helloworld)/config/helloworld.rviz" />
   <node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher" output="screen" />
   <node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" output="screen" />
   <node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" output="screen" />
</launch>

\qquad 2) 在 launch 文件中直接加载 xacro

<launch>
    <param name="robot_description" command="$(find xacro)/xacro $(find demo01_urdf_helloworld)/urdf/xacro/my_base_camera_laser.urdf.xacro" />
    <node pkg="rviz" type="rviz" name="rviz" args="-d $(find demo01_urdf_helloworld)/config/helloworld.rviz" />
    <node pkg="joint_state_publisher" type="joint_state_publisher" name="joint_state_publisher" output="screen" />
    <node pkg="robot_state_publisher" type="robot_state_publisher" name="robot_state_publisher" output="screen" />
    <node pkg="joint_state_publisher_gui" type="joint_state_publisher_gui" name="joint_state_publisher_gui" output="screen" />
</launch>

总结

• 声明：本节博客部分参考了CSDN用户赵虚左的ROS教程，本文主要介绍了URDF文件的一种优化编程方法，即Xacro，通过声明变量和函数提高代码安全性、效率和复用性，分别从基本概念、语法详解和最终的实际机器人实例进行了详细分析，在之后的教程中还会推出关于URDF文件与RVIZ和Gazebo组件联合仿真的教程以及关于传感器和导航的内容，敬请期待。