webots+ros 机器人仿真
前言
之前我做机器人仿真一直是在 windows 上，利用 webots+vs 进行仿真的，但是在 vs 上进行的仿真，移植到硬件上时需要改动的东西太多，几乎得重新写一遍，所以打算在 linux 上利用 ros 进行仿真。但是问题又来了，ros 中比较常用的仿真的软件就是 gazebo，但是 gazebo 的电机模块的力矩控制在我测试之后好像是有问题的，一旦施加力矩就会疯转。后来偶然间发现 linux 上是可以使用 webots 的，而且网络上的配置资料不算少，所以就打算使用 webots 来进行仿真。
ros 安装
- ros1 安装可以参考 https://seashore.top/Blog_ButterFly/2024/03/24/ros%E5%AD%A6%E4%B9%A0%E8%AE%B0%E5%BD%95/，这个版本是 ubuntu20.04
- ros2 安装可以参考 https://seashore.top/Blog_ButterFly/2024/03/24/ros2%E5%AD%A6%E4%B9%A0%E8%AE%B0%E5%BD%95/，这个版本是 ubuntu22.04
webots 安装
直接去官网上下载安装包即可，不要直接在主页上下载最新版的，那个不一定适配你的 ubuntu 版本，所以需要点 Download 右边的箭头，选择 Older version，从里面找到适合自己版本的安装包，不然就无法安装
1 | sudo dpkg -i webots_202xx_xxx.deb |
有时候会出点问题，导致安装失败，可以利用下面的指令来尝试修复依赖关系并完成未完成的配置
1 | sudo apt install -f |
安装完成之后，需要设置环境变量，在 ~/.bashrc 文件中最后一行添加以下指令，如果用的是 zsh 终端，就可以在 ~/.zshrc 文件最后一行添加下面指令，由于是用安装包安装的，默认安装路径为 /usr/local/webots
1 | export WEBOTS_HOME=/usr/local/webots |
之后即可进入 webots ，需要注意的是如果下载的 webots 版本比较高的话，webots 的资源包是在线加载的，但是在线加载确实很慢，而且需要科学上网工具，很难受。所以给出的解决办法就是从官方 github 仓库里，找到下载的对应版本的 webots ，找到对应版本的 assets-Rxxxx.zip 文件，下载下来之后，将其解压并且替换掉文件夹 ~/.cache/Cyberbotics/Webots/assets 即可。注意这个 .cache 是隐藏文件，需要在文件管理器中按下 Ctrl+H 快捷键显示隐藏文件，而且直接复制过去需要权限，就很麻烦，不如直接用指令将对应文件夹内的东西移动过去。
1 | sudo mv assets-Rxxxx/* ~/.cache/Cyberbotics/Webots/assets/ |
另外新版本本地文档也没了，还需要从 webots 官方仓库 里找到文件夹 docs ，如果直接从网上下载的话，需要下载的东西很多，用的时间也很长，所以推荐一个小工具 DownGit ，进入网站之后，将 https://github.com/cyberbotics/webots/tree/master/docs 复制到 url 框中，点击 Download 即可下载。下载完成之后，将其解压替换掉 webots 安装目录下的 docs 文件夹即可。这个也是一样，需要权限，一般 webots 的安装目录为 /usr/local/webots/ 。
1 | sudo mv docs/* /usr/local/webots/docs/ |
如果没有这个文件夹 /usr/local/webots/docs/ 的话，就创建这个文件夹之后再次使用上述指令。
1 | sudo mkdir /usr/local/webots/docs |
webots_ros 安装
在终端输入指令，记住要安装对应 ros 版本的 webot_ros，我这里用的是 ros-noetic ，所以对应的就是 ros-noetic-webots-ros
1 | sudo apt install ros-noetic-webots-ros |
webots_ros
weobots 设置
首先可以进入 webots 创建世界，创建需要仿真控制的机器人，之后将机器人的 controller 设置为 ros
ros 设置
webots_ros 之前是有官方文档的，但是现在好像没了，但是可以还是有 webots_ros 这个库的，里面是一些案例，有兴趣的话可以看看
1 | git clone https://github.com/cyberbotics/webots_ros.git |
在 webots_ros 中有一些需要用到的文件，需要复制到自己的功能包中，如下，这两个文件夹里就是 webots_ros 提供的那些关于传感器的服务和消息类型，实际上在安装过 webots_ros 之后，这两个文件夹也存在于 ${WEBOTS_HOME}/projects/default/controllers/ros/include 文件夹之下
1 | sudo cp webots_ros/srv package_name/srv |
需要修改 CMakeLists.txt 文件，添加消息和服务类型，这些都是在控制 webots 机器人时需要用到的。
1 | add_message_files( |
需要修改 package.xml 文件，需要在添加依赖的地方添加这两条语句，就是用于自定义消息类型的
1 | <build_depend>message_generation</build_depend> |
可以为 webots 写一个 launch 文件来启动对应的世界，一般是将 webots 的世界文件保存在功能包路径下的 webots/world 文件夹下，这个 launch 文件的功能就是打开 world_name 这个世界，然后启动 webots 的键盘节点，这样就有键盘输入了，就能在代码里写读取键盘来控制机器人了
1 |
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一些消息和服务类型
下面说以下我用的比较多的消息和服务类型，我刚开始用的时候，几乎在网络上找不到对应的文章，之后是自己通过启动 webots 之后，查看消息和服务的列表来做的，这里作为记录吧
电机相关
电机传感器反馈使能服务
- 服务名称：
/robot_name/position_sensor_name/enable - 消息类型：
webots::set_int 传输的消息是传感器的反馈频率
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5ros::ServiceClient joint_sensor_enable = nh.serviceClient<webots_ros::set_int>("/robot_name/position_sensor_name/enable");
webots_ros::set_int enable_time_step;
joint_sensor_enable.request.value = TIME_STEP; // 世界的步长，需要与 webots 中设置的世界步长一致
force_feedback_enable.call(enable_time_step);
if (!enable_time_step.response.success) ROS_INFO("joint_sensor_enable failed");
- 服务名称：
电机力矩反馈使能服务
- 服务名称：
/robot_name/motor_name/torque_feedback_sensor/enable - 消息类型：
webots::set_int 传输的消息是传感器的反馈频率
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5ros::ServiceClient force_feedback_enable = nh.serviceClient<webots_ros::set_int>("/robot_name/motor_name/torque_feedback_sensor/enable");
webots_ros::set_int enable_time_step;
enable_time_step.request.value = TIME_STEP; // 世界的步长，需要与 webots 中设置的世界步长一致
force_feedback_enable.call(enable_time_step);
if (!enable_time_step.response.success) ROS_INFO("force_feedback_enable failed");
- 服务名称：
电机位置获取消息订阅
- 消息名称：
/robot_name/motor_name/value - 反馈函数形式：
void IOROS::callback(const webots_ros::Float64Stamped::ConstPtr &value)其中的value形参就是接收到的消息 需要等待订阅者成功订阅
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7ros::Subscriber motor_get_pos = nh.subscribe("/robot_name/motor_name/value", 1, pos_callback);
while (motor_get_pos.getNumPublishers() == 0)
;
void pos_callback(const webots_ros::Float64Stamped::ConstPtr &value) {
float position = value->data;
}
- 消息名称：
电机速度获取请求服务
- 服务名称：
/robot_name/motor_name/get_velocity 消息类型：
webots::get_float1
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4ros::ServiceClient motor_get_vel = nh.serviceClient<webots_ros::get_float>("/quadruped/rf_hip_joint/get_velocity");
webots_ros::get_float get_velocity_srv;
motor_get_vel.call(get_velocity_srv);
float motor_vel = get_velocity_srv.response.value;
- 服务名称：
电机力矩获取消息订阅
- 消息名称：
/robot_name/motor_name/torque_feedback_sensor/value 反馈函数形式：
void IOROS::rf_hip_tor_callback(const webots_ros::Float64Stamped::ConstPtr &value)其中value形参就是接收到的消息1
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7ros::Subscriber motor_get_tor = nh.subscribe("/robot_name/motor_name/torque_feedback_sensor/value", 1, tor_callback);
while (motor_get_tor.getNumPublishers() == 0)
;
void tor_callback(const webots_ros::Float64Stamped::ConstPtr &value) {
float torque = value->data;
}
- 消息名称：
电机位置设置请求服务
- 服务名称：
/robot_name/motor_name/set_position - 消息类型：
webots::set_float 传输的消息是电机位置值
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4ros::ServiceClient motor_set_pos = nh.serviceClient<webots_ros::set_float>("/robot_name/motor_name/set_position");
webots_ros::set_float pos;
pos.request.value = position;
motor_set_pos.call(pos);
- 服务名称：
电机速度设置请求服务
- 服务名称：
/robot_name/motor_name/set_velocity - 消息类型：
webots::set_float 传输的消息是电机速度值
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4ros::ServiceClient motor_set_vel = nh.serviceClient<webots_ros::set_float>("/robot_name/motor_name/set_velocity");
webots_ros::set_float vel;
vel.request.value = velocity;
motor_set_vel.call(vel);
- 服务名称：
电机力矩设置请求服务
- 服务名称：
/robot_name/motor_name/set_torque - 消息类型：
webots::set_float 传输的消息是电机力矩值
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4ros::ServiceClient motor_set_tor = nh.serviceClient<webots_ros::set_float>("/robot_name/motor_name/set_torque");
webots_ros::set_float tor;
tor.request.value = torque;
motor_set_tor.call(tor);
- 服务名称：
电机力设置请求服务
- 服务名称：
/robot_name/motor_name/set_force - 消息类型：
webots::set_float 传输的消息是电机力矩值
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4ros::ServiceClient motor_set_tor = nh.serviceClient<webots_ros::set_float>("/robot_name/motor_name/set_force");
webots_ros::set_float force;
force.request.value = force_value;
motor_set_tor.call(force);
- 服务名称：
imu 相关
imu 使能服务
- 服务名称：
/robot_name/imu_name/enable - 消息类型：
webots::set_int 传输的消息是传感器的反馈频率
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5ros::ServiceClient imu_enable = nh.serviceClient<webots_ros::set_int>("/robot_name/imu_name/enable");
webots_ros::set_int enable_time_step;
enable_time_step.request.value = TIME_STEP; // 世界的步长，需要与 webots 中设置的世界步长一致
imu_enable.call(enable_time_step);
if (!enable_time_step.response.success) ROS_INFO("imu_enable false");
- 服务名称：
imu 四元数消息订阅
- 消息名称：
/robot_name/imu_name/quaternion 回调函数形式：
void imu_callback(const sensor_msgs::Imu::ConstPtr &values)1
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10ros::Subscriber imu_sub = nh.subscribe("/robot_name/imu_name/quaternion", 1, imu_callback);
while (imu_sub.getNumPublishers() == 0)
;
void imu_callback(const sensor_msgs::Imu::ConstPtr &values) {
quat[0] = values->orientation.x;
quat[1] = values->orientation.y;
quat[2] = values->orientation.z;
quat[3] = values->orientation.w;
}
- 消息名称：
gyro 相关
gyro 使能服务
- 服务名称：
/robot_name/gyro_name/enable - 消息类型：
webots::set_int 传输的消息是传感器的反馈频率
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5ros::ServiceClient gyro_enable = nh.serviceClient<webots_ros::set_int>("/robot_name/gyro_name/enable");
webots_ros::set_int enable_time_step;
enable_time_step.request.value = TIME_STEP; // 世界的步长，需要与 webots 中设置的世界步长一致
gyro_enable.call(enable_time_step);
if (!enable_time_step.response.success) ROS_INFO("gyro_enable false");
- 服务名称：
gyro 角速度消息订阅
- 消息名称：
/robot_name/gyro_name/values 反馈函数形式：
void gyro_callback(const sensor_msgs::Imu::ConstPtr &values)1
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9ros::Subscriber gyro_sub = nh.subscribe("/robot_name/gyro_name/values", 1, gyro_callback);
while (gyro_sub.getNumPublishers() == 0)
;
void gyro_callback(const sensor_msgs::Imu::ConstPtr &values) {
gyro[0] = values->angular_velocity.x;
gyro[1] = values->angular_velocity.y;
gyro[2] = values->angular_velocity.z;
}
- 消息名称：
accel 相关
accel 使能服务
- 服务名称：
/robot_name/accel_name/enable - 消息类型：
webots::set_int 传输的消息是传感器的反馈频率
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5ros::ServiceClient accel_enable = nh.serviceClient<webots_ros::set_int>("/robot_name/accel_name/enable");
webots_ros::set_int enable_time_step;
enable_time_step.request.value = TIME_STEP; // 世界的步长，需要与 webots 中设置的世界步长一致
accel_enable.call(enable_time_step);
if (!enable_time_step.response.success) ROS_INFO("accel_enable false");
- 服务名称：
accel 加速度消息订阅
- 消息名称：
/robot_name/accel_name/values 反馈函数形式：
void accel_callback(const sensor_msgs::Imu::ConstPtr &values)1
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9ros::Subscriber accel_sub = nh.subscribe("/quadruped/accel/values", 1, accel_callback);
while (accel_sub.getNumPublishers() == 0)
;
void accel_callback(const sensor_msgs::Imu::ConstPtr &values) {
accel[0] = values->angular_velocity.x;
accel[1] = values->angular_velocity.y;
accel[2] = values->angular_velocity.z;
}
- 消息名称：
小结
实际上可以看出来，其实还挺简单的，而且很有规律，例如需要设置值的服务，消息类型就是 set_ 开头的，需要获取数据的服务，消息类型就是 get_ 开头的，所以最难的就是看看复制到功能包里的 srv ·和 msg 文件。
总结
由于这个是之前研究的，最近才整理了一下，所以可能有错误，参考即可，主要还是要靠自己多研究研究
