本文要点
多莉是一只虚拟的机器羊,是 Gazebo 和 ROS 2 的实用介绍。
机器人操作系统的最新版本 ROS 2 提供了熟悉的工具和功能,同时扩展到了新的用例。
Gazebo 是一个功能强大的机器人仿真器,用于工业和学术界的物理计算、生成传感器数据并提供了方便的接口。
开源软件正在降低人们进入机器人领域的门槛,加速机器人技术的进步。
世界各地的机器人专家都在把 Gazebo 和 ROS 用在机器人、无人机、仓库机器人和自动驾驶汽车等领域的应用程序中。
多莉是一只机器羊。它背着你的重东西跟着你。它有两个电动轮子,可以让机器人控制方向,还有一个激光扫描仪可以探测前方的物体。它还有一段代码,可以在激光扫描中找到最近的物体(大概是你),并控制车轮跟随它。
不过,多莉并不是一个真正的机器人。这是一个简单的机器人仿真,介绍了一些机器人专家正在世界各地使用的强大的开源工具。尽管多莉本身非常简单,但它与许多更复杂的机器人共享大部分代码,比如自动驾驶汽车、仓库机器人、工业手臂、四轴飞行器、类人机器人,甚至国际空间站的三个机器人。它们共同的软件栈是 ROS 和机器人操作系统。然而,准确地说,多莉的运行机制并不是今天大多数人听到“ROS”这个词时所想的那样。多莉实际上正在运行最新一代的 ROS,称为 ROS 2!
与之前的 ROS 1 一样,ROS 2 是一个用于机器人应用程序的开源软件开发工具包。ROS 2 的开发由Open Robotics公司牵头,该公司还维护着多莉生活的机器人仿真器Gazebo,以及其他开源机器人软件和硬件。这些项目是在开源许可下发布的,比如BSD和Apache 2.0,这使得它们对学术界和业界都很有吸引力。
机器人软件
“机器人”这个词的定义往往会因你问谁而有所不同,但运行 ROS 并在 Gazebo 中被模拟的机器人的关键特征是“行动(actuation)”。所以,不是聊天机器人或垃圾邮件机器人;我们所谈论的机器人在身体上能够与环境互动,移动自己,甚至是其他物体。它们也不是盲目移动的发条玩具;他们配备了传感器,可以观察周围世界的变化。把所有这些联系在一起,它们就能从逻辑上理解这些观察结果,从而做出明智的决定,决定下一步要做什么来完成一项特定的任务。这就是所谓的“感觉-思考-行动”循环,多莉的软件就是用来反映这三个部分的。
ROS 2 的开发目标是为业界和学术界提供一个标准的软件平台,支持他们从事研究和原型开发以及部署和生产。ROS 2 是在 ROS 1 取得成功的基础上开发的,ROS 1 目前已经在世界各地的各种机器人应用程序中得到了应用。这次演变的一个重要部分是维护核心的 ROS 概念和工具,它们是 ROS 迄今为止在机器人社区取得成功的关键。其中一个众所周知的概念是“节点”,它是一个计算单元,负责非常具体的任务。多莉的每一个“感觉-思考-行动”周期都被映射到一个节点上。“激光”节点感知世界,“跟随”节点处理数据以找到前方最近的点,并生成一个带有移动方向的命令,而“差异驱动(diff-drive)”节点则按照命令移动车轮(之所以这么叫,是因为多莉是一个差分轮式机器人)。当多莉移动时,它的激光读数发生变化,循环就又开始了。为了简单起见,多莉的软件只有三个节点,但是大型机器人应用程序可能有数百个节点一起工作,每个节点负责一个独立的定义良好的任务。
ROS 中最基本的通信方法是通过名为“主题”的通道使用多对多发布者-订阅者机制。激光节点在“scans”主题发布扫描结果,供后续节点订阅;接下来,跟随节点发布关于“cmds”主题的移动命令,差异驱动节点订阅该主题。多莉只使用主题,但除了这种单向通信类型之外,ROS 还提供了一种称为“服务”的请求-响应机制,以及用于触发更长时间行为的“操作”。
当使用这些通信模式时,ROS 开发人员倾向于尽可能使用标准化的消息,这使得在不同的项目之间共享节点非常方便。在这种分布式体系结构中,节点并不关心它们正在与哪个节点通信,它们只关心正在使用哪个主题、服务或操作。这意味着,如果有一天有人决定取下多莉的轮子,换成螺旋桨,把它变成一只会飞的绵羊,他们也不需要触及激光节点或跟随节点。他们只需要将差异驱动节点替换为其他节点,以与机器人新身体相匹配的方式转换 cmds 主题上的移动命令。
容易重用代码是 ROS 最大的优势之一,因为它允许开发人员尽可能地利用彼此的工作。通过在 ROS 生态系统中现有软件的基础上构建,开发人员可以专注于特定应用程序的独特方面。事实上,实现多莉只需要编写跟随节点,它的代码少于 100 行。激光和差异驱动节点由gazebo_ros_pkgs提供,这是一个标准的 ROS 包,用于在特定于仿真的逻辑和非特定逻辑之间建立联系。当多莉准备成为一个物理机器人时,这些节点将被特定于硬件的驱动程序和控制器所替代,但是跟随节点可以保持不变,因为它发布和订阅标准消息。但是,你可以想一下,跟随节点并不是最聪明的机器人逻辑。事实上,多莉分不清树和人。在实际的应用程序中,开发人员将利用社区提供的其他功能,例如导航栈,这将允许多莉在世界上自主移动。
上面提到的所有通信模式都已从 ROS 1 迁移到 ROS 2,并在此过程中得到了改进。ROS 1 使用自定义通信层,而 ROS 2 构建在DDS之上。DDS 是一种工业标准,在航空和核能等关键任务应用中得到了验证。你可以在InfoQ上阅读关于 DDS 集成的更多细节。
除了消息传递系统之外,ROS 2 还提供了强大的开发工具。例如,RViz是 ROS 主题的可视化工具,在应用程序开发和调试期间非常有用。它有一个 3D 场景,可以把来自应用程序任何部分的数据都显示在一起,比如点云和坐标系。RViz 还提供了控制界面,比如可以拖动 3D 标记来移动真实的机器人。RQt是另一个方便的图形工具,它允许开发人员快速地将小部件组合在一起,以便与机器人应用程序的任何方面进行交互,无论是不是仿真机器人。下图显示了多莉在 RViz 中的激光扫描,旁边是 Gazebo 的视图,显示了仿真中的可视化效果。RViz 将以相同的方式显示扫描结果,无论扫描是来自仿真还是来自硬件。
仿真
多莉住在 Gazebo 里,这是一个机器人仿真器,可以进行物理计算,生成仿真传感器数据,并提供方便的接口。这些接口的范围从图形工具到 C++ API,允许用户和开发人员更快地实现他们的目标。Gazebo 的目的是成为物理机器人最好且唯一的软件替代品。Gazebo 的一些应用包括新机器人原型的创建、新算法和行为的开发、持续集成测试和训练。
在仿真过程中,物理引擎处理多莉与环境的交互方式。这包括重力将多莉拉向地面、车轮与人行道之间的接触以及施加在车轮上的扭矩等行为。Gazebo 没有实现自己的物理引擎;相反,它提供了一个抽象层,允许集成多个引擎。这样,开发人员只需描述并编写一次机器人程序,然后在运行时选择最合适的物理引擎。默认情况下,Gazebo 使用Open Dynamics Engine(ODE),但它也支持Bullet、DART和Simbody。
多莉配备了一个传感器,即激光扫描仪,但是 Gazebo 支持十多种传感器,如彩色和深度照相机、IMU 和 GPS。开发人员还可以通过 C++ API 创建新的传感器。照相机和激光扫描仪等传感器使用Ogre3D渲染引擎生成世界图像,而 IMUs 和 sonars 等传感器则利用物理引擎。仿真传感器的一个缺点是,与物理传感器相比,它们往往过于完美。因此,传感器 API 的一个重要方面是能够向生成的数据添加各种类型的噪声,并干扰它们的更新速率。
Gazebo 有一个丰富的图形界面,帮助用户构建、检查及与他们的仿真交互。例如,多莉的城市环境是由eRuby脚本、UI 3D 视图和提供场景中每个模型详细信息的小部件组合而成的。在仿真运行时,3D 视图也是一种可视化激光扫描、检查关节位置、重心、甚至转动惯量的便捷方式。这种仿真具备提供场景地面上 X-Ray 视图的能力,这在算法迭代时非常有用,而且在现实世界中很难实现,如果不是不可能的话。
Gazebo 还让开发者可以像在现实世界中一样与机器人互动。理论上,你可以戴上 VR 眼镜,用控制器来踢多莉,就像一些机器人专家喜欢对他们的真实机器人所做的那样。请注意,这里绝对不鼓励滥用机器人。相反,你可以使用更精细的方法,比如用一个 3D 箭头推下机器人,检查其恢复行为。你也可以移动人类,添加另一个机器人,改变城市的布局……只要对你的特定项目有帮助。
Gazebo 中的世界使用仿真描述格式(Simulation Description Format)进行描述。SDF 是一种 XML 格式,它允许指定仿真的各个方面,从多莉摇摆尾巴上的弹簧到太阳光的颜色。用户可以将在线数据库中的 3D 模型与他们自己的自定义模型结合起来,为他们的机器人创建各种环境。事实上,多莉周围的整个城市环境都是由Ignition Fuel数据库中找到的免费模型组成的。多莉本身是一个定制模型,它的所有细节都可以通过 UI 或直接在其 SDF 文件中进行调整和改进。
多莉的例子是用 Gazebo 所能做的最简单的仿真之一,但在网上也有各种复杂的例子。基于仿真的竞赛,如虚拟机器人挑战赛、太空机器人挑战赛和即将到来的地下机器人挑战赛,就是很好的例子。多家机器人制造商也在免费分发 Gazebo 机器人仿真,比如Fetch Robotics的仓库机器人和Parrot的无人机。
为了处理新的用例,Open Robotics 的团队正在积极地开发 Gazebo 的下一代产品,这一代产品被称为Ignition。这种重构将 Gazebo 分解为更小、更可重用的库,为物理和渲染引擎提供了抽象层,支持跨云中机器运行大型仿真,并使用现代 GUI (QtQuick)和传输(ZeroMQ)库。
克隆多莉!
Gazebo 和 ROS 2 现在离你只有几个按键之遥。你可以克隆多莉并按照说明创建一个简单的示例并运行它。在ROS Index和Gazebo Tutorials上有各种教程,涵盖了各种特性和用例。你可以在ROS Discourse和Gazebo Community上的社区中找到更多深入的讨论,在ROS Answers和Gazebo Answers上找到技术问题的答案。最后,但同样重要的是,看看 ROSCon 大会的视频吧。ROSCon 是 ROS 开发者年度会议,ROSCon 2019将在澳门举行,务必提前预定。
关于作者
Louise Poubel是Open Robotics的一名软件工程师,致力于开发机器人免费和开源工具,比如机器人仿真器 Gazebo 和机器人操作系统(ROS)。
查看英文原文:[Open Source Robotics: Getting Started With Gazebo and ROS 2](
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