一、机器人建模与仿真的概述
1、概述：
在实际开发过程中将算法和程序部署到真实的机器人之前，往往会采用仿真的机器人进行验证，毕竟不用担心仿真机器人没电或者磕碰到。在没有实体机器人时，仿真依赖是一个不错的选择，但仿真前需要先对我们要仿真的机器人进行建模，因此我们先从建模学起。动手创建一个机器人，然后在软件中完成对该机器人的硬件的仿真。
2、移动机器人结构介绍：
机器人，以扫地机来介绍，是移动机器人。本章的机器人建模仿真就是以常见的机器人用例来学习的。对扫地机器人来说，要完成清扫工作，首先你要有执行器来执行动作（依靠轮子进行移动，依靠刷子进行清扫……），还需要传感器来感知环境（通过相机来识别地毯，通过距离传感器来规避障碍物），对于一个移动机器人来说，常用的执行器就是轮子，依靠轮子才能完成移动，而常用的传感器种类颇多，比如说可以测量距离的激光雷达、超声波和深度相机的传感器、测量轮子速度的轮式编码器、测量加速度信息的惯性传感器……除此之外，还有图像、电量和红外等常见传感器。
在机器人中只有传感器和执行器是不够的，我们还需要一个控制系统，根据传感器的数据进行决策后，然后控制执行器来完成工作，比如控制系统就是通过超声波传感器获取到前方有障碍物的信息，此时就可以控制轮子停下并转向。控制系统的工作流程图如上。
除了控制系统、执行器和传感器之外，机器人还有一些其他的装置，在流程图中没有展示，比如说电源和外壳等等，这些装置之间协调工作，才能使机器人自主完成各种任务，因为控制系统通常由计算机或者微控制器来实现的，所以对于仿真机器人来说，只需要对机器人的传感器、还有执行器以及环境进行仿真即可。
3、常用机器人的仿真平台：
机器人仿真——就是用软件来模拟硬件，在机器人中指的就是各种执行器、传感器及环境。环境仿真指的是对机器人的作业场景、作业对象的仿真，常见的场景比如说工厂、居住环境、甚至水底。本节将对支持ros2且常用的机器人仿真平台进行介绍。
1）Gazebo：
由ros社区开源的一款机器人仿真软件，Gazebo不仅支持多种传感器和执行器，还可以模拟机器人的常用环境的运动和交互。因为Gazebo本身是ROS社区出身，所以Gazebo对ROS的支持无疑是非常友好的，随着ROS的发展，Gazebo也分出了两个不同的分支，第一个是早期的稳定分支——Gazebo Classic，第二个则是技术更为先进和经过优化的Gazebo Harmonic。
但截止《ros2机器人开发从入门到实践》编写及小鱼视频录制时，Gazebo Harmonic的资料较少且不稳定，不适合入门使用。
2）WeBots：
由Cyberbotics维护的机器人仿真软件，WeBots不仅支持多个操作系统和编程语言（C++、Python、Java……），还提供了大量的开箱即用的机器人仿真模型以及场景资源，WeBots提供了自动驾驶仿真机器人及场景。
3）CoppeliaSim：
前身是V-REP（Virtual Robot Experimentation Platform），CoppeliaSim和WeBots相似，都支持多个平台和编程语言，对多种传感器和执行器的支持也非常友好。
4）其他：
除了上面三个外，ROS2 还支持 unity 3D和MATLAB/Simulink等平台，虽然仿真平台有很多且各有利弊，但入门，Gazebo对Ros的支持最友好，而Gazebo Classic较为稳定，所以后续我们将使用Gazebo Classic来完成机器人的仿真。
二、使用URDF创建机器人
仿真的第一步就是要完成一个机器人的建模，虽然不同的仿真平台有着不同的建模语言，但几乎都支持URDF，URDF——通用的机器人描述文件格式，本节使用URDF来完成一个移动机器人的模型。
1、URDF介绍：
URDF使用XML（Extensible Markup Language，可扩展标记语言）来描述机器人的几何结构、传感器和执行器等信息。
文件格式：
<?xml version="1.0"?>
<robot name="first_robot">
<!--XML注释-->
<link name="base_link"></link>
</robot>
<?xml version="1.0"?>：当前文件符合Xml1.0的规范，是一个XML格式的文件。
<robot……</robot>：标签，name="first_robot"：标签的属性。
<link name="base_link"></link>：robot的一个子标签。
这一段URDF的意思是：定义一个名字为first_robot的机器人，机器人有一个名为base_link的部件。
2、创建功能包
ros2 pkg create bot_description --build-type ament_cmake --license Apache-2.0
创建功能包的时候不需要添加任何的依赖，因为URDF本身就不需要使用任何客户端库，所有就没有添加任何依赖。
3、编写：
一般情况下，我们会把机器人的模型文件会放到功能包的urdf文件夹下。
base_link和imu_link怎么固定的呢？假如我们把base_link当做机器人的几何中心，imu_link一般我们会把他放到机器人的几何中心，所以我们要把imu_link固定到base_link上面，因此用到机器人的关节（用来组合机器人的部件）。
type="revolute"：关节类型，能动还是不可以动，fixed——固定死的。
<parent link="base_link"/> 、<child link="imu_link"/>：父子标签，标识将imu_link固定到base_link上。
4、关系结构可视化：
urdf_to_graphviz first_robot.urdf
三、在Rviz中显示机器人：
1、打开Rviz：
rviz2
2、使用urdf：
3、问题解决：
1）base_link的TF报错问题：
2）imu_link TF报错问题：
imu_link和base_link的关系从哪里来呢？不需要我们手动去发布，也不需要手动去写代码，因为我们在urdf中已经描述了，我们可以使用率另外两个组件加载urdf文件，然后自动的去发布他们坐标间的关系。
Ros2为我们提供了两个组件，一个是/robot_state_publisher，还一个/joint_state_publisher 。
/robot_state_publisher：运行起来后是个节点，你需要给他提供urdf文件路径，它会把文件加载到他节点里面，然后把文件内容通过/robot_description话题发布出去，同时会扫描urdf文件的内容，然后去找到/tf （比如这里我们把imu_link和base_link通过不是fixed，不是固定的一个关节，变动的，这时就会通过这个话题把他们两个间的坐标关系发布出去）、/tf_static（比如这里我们把imu_link和base_link通过fixed固定的一个关节，这时就会通过这个话题把他们两个间的坐标关系发布出去）。
/joint_state_publisher：数据来源，订阅/robot_description话题，去自动扫描urdf中所有的动态的关系，然后把他们的关节的数值通过/joint_states话题给发布出去，然后/robot_state_publisher再去订阅这关节的数值，把他复制到/tf（动态TF再发布出去）。
解决：
①安装插件：
sudo apt install ros-$ROS_DISTRO-joint-state-publisher
sudo apt install ros-$ROS_DISTRO-robot-state-publisher
②编写launch：
因为要同时启动多个话题，所以用launch来管理，里面有太多原理的东西了，只能看我的代码备注，后续遇到可以直接使用。
以上代码运行中，如果遇到问题可以使用：
ros2 launch display_robot.launch.py --debug
查看BUG。
launch写完后，可以source，下，然后使用launch文件
ros2 launch bot_description display_robot.launch.py
③配置中arguments和parameters区别：
parameters：只将参数数据传递给节点的键值对（ros2 run rviz2 rviz2 --ros-args -p ***: =***value）
arguments：是命令行+东西（例如：ros2 run rviz2 rviz2 -d ****）
3）保存配置
四、使用Xacro简化URDF
1、Xacro介绍：
Xacro（XML Macro）是基于XML的宏语言，用于简化URDF文件的创建和维护。使用它可以将部件等定义为宏，在需要使用的时候进行调用即可。
2、编写：
xmlns：xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro"——xmlns：表示命令空间；xacro——用这个命令空间；http://www.ros.org/wiki/xacro——网址。之后就可以使用xacro来代替这些。用来告诉大家，这个URDF使用了xacro宏语言。
3、使用
1）先转换为URDF格式：
安装工具：sudo apt install ros-$ROS_DISTRO-xacro
使用：xacro 绝对路径
转换成功
2）修改launch文件：
3）运行：
colcon build
source install/setup.bash
ros2 launch bot_description display_robot.launch.py model:=/home/gaolu/learn_ws/chapt6/chapt6_ws/src/bot_description/urdf/first_robot.xacro
五、创建机器人及传感器部件
1、FishBot机器人模型：
创建机器人身体部分以及传感器部分，传感器部分主要有imu、雷达还有相机这三部分组成。
2、编写base：
3、编写imu：
4、编写camera：
5、编写laser：
6、编写fishbot：
7、转换：
8、运行：
六、完善机器人执行器部件
1、FishBot介绍：
FishBot分为多个系列，其中最基础的系列为拥有两个驱动轮的差速模型，只有两个轮子没办法保持直立，所以一般都会采用万向轮作为支撑轮子来使用。我们采用圆柱表示驱动轮，球体表示外向轮，接下来我们分别创建驱动轮和外向轮作为机器人的执行器，就是可以动的这一部分。
2、编写wheel：
3、编写caster：
4、修改fishbot：
5、运行：
colcon build
ros2 launch bot_description display_robot.launch.py model:=/home/gaolu/learn_ws/chapt6/chapt6_ws/src/bot_description/urdf/fishbot/fishbot.urdf.xacro
七、贴合地面，添加虚拟部件
1、为什么添加：
在rviz中，我们的base_link是固定到整个机器人的中心的，作为一个固定坐标系，此时我们的轮子跑到地面下面了，这样不符合实际情况，因此我们要把轮子调整到水平面上，这里我们就可以通过添加虚拟部件来解决这个问题，所谓虚拟部件，是有link，也有joint，但是没有实体（内容），也看不到的这样一个部件。
2、编写：
3、运行：
八、添加碰撞属性
1、为什么添加？
上节完成了机器人各组件的建模，让机器人看起来像那么一回事，但还少了一些物理属性，真正的机器人部件是有重量的，也会有惯性，机器人的关节肯定是有力矩的。我们接下来给机器人添加物理属性。
在实际的仿真中当机器人与其他物体进行接触时，难免会发生碰撞，比如轮子和地面接触，也可以视为一种碰撞，所以为了能让机器人和其他物体交互时，更加准确和安全，就需要给机器人部件添加碰撞属性，可以直接在link部件下添加collision标签来添加碰撞属性，建议每个部件都添加。
2、为每个部件添加碰撞属性：
在每个urdf文件里的visual标签下添加<collision>标签，标签内容和当前文件的<visual>标签内容一致。
3、运行：
4、查看：
九、添加质量与惯性
1、为什么？
为机器人部件添加质量与惯性，真是的机器人部件肯定是有质量的，既然有质量，那么在运动的时候就会有惯性。质量可以直接使用多少千克表示，而旋转惯性则需要使用一个3*3的矩阵表示。
2、编写common_inertial.xacro
3、修改各部分urdf
以base.urdf.xacro为例
引入文件：
<xacro:include filename="$(find bot_description)/urdf/fishbot/common_inertial.xacro"/>
使用文件：
<xacro:cylinder_inertia m="1.0" r="${radius}" h="${length}"/>
依次为其他各部件添加质量和惯性，只是要记得区分惯性的形状，base是圆柱的用的是cylinder_inertia；对应球使用sphere_inertia；长方体、正方体使用box_inertia；
