Ubuntu 的 ROS 操作系统 turtlebot3 gazebo仿真

引言

• TurtleBot3 Gazebo仿真环境是一个非常强大的工具，能够帮助开发者在虚拟环境中测试和验证机器人算法。

• Gazebo是一个开源的3D机器人仿真平台，它能支持物理引擎，允许机器人在虚拟环境中模拟和测试。结合ROS，它能提供一个完整的开发环境，特别适合机器人领域的研究和开发。

• 本文将介绍如何在ROS Noetic环境下安装和配置TurtleBot3 Gazebo仿真环境。通过这些步骤，在Gazebo中启动TurtleBot3模型，并开始进行路径规划、导航、避障等操作。

学习目标

• 掌握在ROS Noetic环境下安装TurtleBot3 Gazebo仿真所需的依赖包和仿真包。

• 学会在Gazebo中启动TurtleBot3的三种车模型，空白场景、默认世界和房屋环境三种环模拟世界环境。

• 通过远程控制机器人并启用避障功能，了解TurtleBot3的基本操作方法。

• 安装与自己Ubuntu版本对应的ROS版本，本文ROS Noetic Ninjemys 主要支持 Ubuntu 20.04 (Focal Fossa）。安装前请详细参考 Ubuntu版本、ROS版本与Python 版本之间的关系。

学习内容

1 注意事项

• 注意：本文内容对应的是远程PC（桌面或笔记本电脑），用于控制TurtleBot3。 请勿将此指令应用到TurtleBot3机器人上。

• 首次启动模拟可能需要一些时间来完成环境设置。

2 TurtleBot3模拟环境

TurtleBot3支持在模拟中使用虚拟机器人进行编程和开发，主要有以下两种开发环境：

2.1 Fake Node + RViz

• 功能：Fake Node是一种轻量级的模拟方式，可以结合3D可视化工具RViz一起使用。这种环境可以对机器人的基本模型和运动进行测试，比如行进路线和旋转等基础行为。

• 局限性：由于Fake Node不支持传感器，因此不适合涉及传感器数据的开发任务，比如环境感知、SLAM（即时定位与地图构建）、避障等。

• 适用场景：适合需要快速验证机器人模型和基本运动功能的场景，但不支持复杂的传感器相关任务。

2.2 Gazebo

• 功能：Gazebo是一个强大的3D机器人仿真平台，支持多种传感器（如IMU、激光测距仪LDS、摄像头等），并能够逼真地模拟物理环境。这使得Gazebo能够应用于包括SLAM、导航、避障等传感器依赖的复杂任务中。

• 优点：Gazebo不仅支持TurtleBot3的物理行为模拟，还可以通过ROS接口来接收传感器数据、控制机器人动作，并实时监控机器人在仿真环境中的表现。广泛应用于ROS开发者的项目中，是研究导航、路径规划、环境感知等功能的首选平台。

• 推荐用途：由于其全面的功能支持，Gazebo非常适合复杂的机器人开发任务，比如基于传感器数据的路径规划、自动导航和避障等。

2.3 Gazebo教程

• 如果需要详细了解Gazebo的使用方法，建议访问 Gazebo官方教程。
• 该教程提供了从基本安装、环境设置到高级开发功能的全面指导，适合各个水平的开发者。

3 安装Gazebo模拟包

• 本教程使用ROS Gazebo包，因此需要安装适用于ROS1 Noetic的正确Gazebo版本。
• 确保安装了TurtleBot3和TurtleBot3_msgs包，否则无法启动模拟。

# 克隆TurtleBot3仿真包
cd ~/catkin_ws/src/
git clone -b noetic-devel https://github.com/ROBOTIS-GIT/turtlebot3_simulations.git

# 编译工作空间
cd ~/catkin_ws
catkin_make

4 启动模拟环境

TurtleBot3提供了三个不同的车模型与模拟世界环境。启动新的环境前，确保完全终止其它模拟环境。

4.1 车模型环境

4.1.1 TurtleBot3 burger

export TURTLEBOT3_MODEL=burger

TurtleBot3 burger 模型如下图所示：

4.1.2 TurtleBot3 bwaffle

export TURTLEBOT3_MODEL=waffle

TurtleBot3 waffle 模型如下图所示：

4.1.3 TurtleBot3 waffle_pi

export TURTLEBOT3_MODEL=waffle_pi

TurtleBot3 waffle_pi 模型如下图所示：

4.1.3 便捷设置

如果我们仿真开发时只用其中某一款，例如只用TurtleBot3 burger 。但是每次启动一个终端都需要设置TurtleBot3 的车模型，为了方便，我们直接在终端的配置文件中写入，每次打开终端会自动加载设置的某一款车模型。

# 打开.bashrc文件
sudo gedit ~/.bashrc

# 在文件末尾添加以下内容（burger车模型，其他同理）
export TURTLEBOT3_MODEL=burger

4.2 模拟世界环境

4.2.1 空白环境

# 便捷设置后可不用设置车模型
export TURTLEBOT3_MODEL=burger
roslaunch turtlebot3_gazebo turtlebot3_empty_world.launch

TurtleBot3 空白环境如下图所示：

4.2.2 TurtleBot3默认世界

# 便捷设置后可不用设置车模型
export TURTLEBOT3_MODEL=burger
roslaunch turtlebot3_gazebo turtlebot3_world.launch

TurtleBot3 默认世界环境如下图所示：

4.2.3 TurtleBot3房屋环境

# 便捷设置后可不用设置车模型
export TURTLEBOT3_MODEL=burger
roslaunch turtlebot3_gazebo turtlebot3_house.launch

提示：首次启动TurtleBot3房屋环境时，地图下载可能需要数分钟，具体时间取决于网络状况。

TurtleBot3 房屋环境如下图所示：

4.3 Gazebo启动失败原因

4.3.1 环境变量未自动加载

• 默认情况下，Gazebo 的环境变量（如路径设置等）可能没有在系统启动时加载，可以手动加载，也可类似4.1.3 便捷设置。

# 终端输入
source /usr/share/gazebo/setup.sh

4.3.2 Gazebo 与 ROS 环境的兼容性问题

• Gazebo 与 ROS 有各自的环境配置，运行 ROS 的环境时可能会缺少 Gazebo 所需的一些特定配置，导致 Gazebo 启动失败。

4.3.3 多版本冲突

• 如果系统中存在多个版本的 Gazebo 或相关依赖包，可能会导致 Gazebo 找不到正确的库文件或路径。
• 手动执行 source /usr/share/gazebo/setup.sh 有助于指定正确的 Gazebo 配置。

5 键盘控制与自主避障

5.1 键盘远程控制TurtleBot3

要使用键盘远程控制TurtleBot3，在新终端窗口中启动teleoperation节点。

# 启动teleoperation节点
roslaunch turtlebot3_teleop turtlebot3_teleop_key.launch

键盘远程控制方法如下图所示：

5.2 自主避障操作

一个简单的避障节点已准备好，可让机器人在遇到障碍时自动保持一定距离并转弯以避免碰撞。Ctrl + C结束teleop节点后，启动自主避障节点。

# 启动自主避障节点
roslaunch turtlebot3_gazebo turtlebot3_simulation.launch

5.3 使用RViz可视化数据

RViz可视化仿真运行时发布的主题数据。在新终端窗口中启动RViz。

# 启动RViz
roslaunch turtlebot3_gazebo turtlebot3_gazebo_rviz.launch

TurtleBot3 RViz可视化数据如下图所示：

小结

• 本文通过详细的操作步骤，在TurtleBot3仿真环境中配置和运行机器人，并通过远程控制、避障等功能实现基本的机器人行为。
• 利用RViz进行传感器数据的可视化展示，以便实时监控仿真过程。掌握这些技能为实际机器人应用开发和算法验证提供有力支持。

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