ROS、OpenAI和Gazebo机器人与人工智能仿真与实践教研杂记(二)环境构建

网友投稿 1054 2022-05-30

这篇博文侧重环境,动态和静态,确定与不确定,结构与非结构化等。

如何利用ROS、OpenAI和Gazebo构建一种动态、不确定、非结构化的复杂环境,

用于机器人和人工智能算法的测试呢?

参考链接:

https://github.com/onlytailei/gym_ped_sim

行人模型:

更多内容稍后补充。

参考gazebosim官网文档:http://gazebosim.org

制作动画模特(演员actor)

本教程适用于Gazebo 8+版本(Gazebo 8/9/10均可)

概述

本教程解释了如何使用Gazebo的“actor”来创建脚本动画。

如果希望在模拟仿真中使用预定义路径的实体而不受物理引擎影响,则动画非常有用。这意味着它们不会因重力而下落或与其他物体碰撞。然而,它们将具有可由RGB相机看到的3D可视化,以及可由基于GPU的深度传感器检测的3D网格。

该教程详细解释了如何创建不与模拟其余部分交互的开环轨迹。接下来,将快速浏览一个示例插件,该插件根据环境反馈控制动画。

演员actor

在Gazebo中,动画模型被称为actor。Actors扩展了常见模型,增加了动画功能。

有两种类型的动画可以单独使用或组合使用:

骨架动画,是一个模型中链接之间的相对运动

沿着轨迹运动,将全世界所有演员的链接作为一个整体

两种类型的动作都可以组合起来,以实现在世界中移动的骨架动画

Gazebo的演员就像模特一样 ,所以你可以像往常一样把链接和关节放在里面。主要区别是:

演员总是静止的(即没有施加力,无论是重力还是接触或其他任何东西)

Actors支持从COLLADA和BVH文件导入的骨架动画。

演员可以在SDF中直接编写轨迹。

不能有嵌套在actor中的模型,因此我们仅限于动画网格,链接和关节。

提示:在此处查看 SDF元素 的完整规范。

脚本轨迹

这是演员的高级动画,包括指定在特定时间到达的一系列姿势。Gazebo负责插入它们之间的运动,因此运动是流动的。

示例世界

让我们来看看Gazebo附带的简单示例世界:

gazebo worlds/animated_box.world

你会看到一个浮动的盒子一次又一次地以方形轨迹移动。轨迹经过四点世界,并在它们之间需要1秒。[-1, -1, 1][-1, 1, 1][1, 1,1][1, -1, 1]

代码解析

可以在这里看到整个世界的描述 。按部分来学习一下。

首先定义一个地平面和光源(太阳)的世界。

model://ground_plane

model://sun

创建了一个名为的actor,animated_box并给它一个带有视觉框的简单链接:

.2 .2 .2

现在是actor演员,

标签内,可以描述一系列要遵循的关键帧。它有两个属性:一个是唯一的id和一个type。当在下一节中解释骨架动画时,该类型将非常有用。轨迹参数如下:

waypoint:轨迹中可以有任意数量的航点。每个航路点由a time和a组成pose:

time:以脚为单位的时间,从脚本开头算起,应该达到姿势。

pose:应该达到的姿势

提示:定义航点的顺序并不重要,它们将遵循给定的时间。

注意:轨迹整体平滑。这意味着您将获得流畅的运动,但可能无法达到航路点中包含的确切姿势。

提示:非演员模型也可以遵循脚本轨迹,但这需要使用插件。请参阅本教程以了解具体方法。

现在轮到你实践了!在继续下一部分之前,尝试不同的trejctory描述!

骨架

Gazebo支持两种不同的骨架动画文件格式: COLLADA(.dae)和 Biovision Hierarchy(.bvh)。

尝试一下Gazebo附带的简单示例文件。首先,创建一个新的世界文件:

gedit walk.world

并粘贴以下SDF,它有一个sun和一个使用walk.dae 作为皮肤的 actor:

model://sun

walk.dae

在Gazebo看看它,会看到一个人在原地走动。

gazebo walk.world

皮肤

上面示例中的actor非常简单,它加载的所有内容都是标记中描述的COLLADA文件。

注意:如果之前制作过 自定义 Gazebo模型,则可能已将COLLADA文件用作模型的视觉效果和碰撞。在链接中使用时,COLLADA动画会被忽略,但在皮肤中使用时,它们会被加载!

指定的文件可以是绝对路径,例如:

/home//my_gazebo_models/skeleton_model/skeleton.dae

还可以告诉Gazebo在环境变量中包含的所有目录中查找网格 GAZEBO_MODEL_PATH,如下所示:

model://skeketon_model/skeleton.dae

最后,可以使用一些与Gazebo一起安装的示例网格,直接引用它们的文件名。以下是可用的列表。看看他们中的一些代替上面的walk.world

moonwalk.dae

run.dae

sit_down.dae

sitting.dae

stand_up.dae

stand.dae

talk_a.dae

talk_b.dae

walk.dae

动画

结合不同的皮肤和动画

有时,将不同的皮肤与不同的动画组合起来很有用。Gazebo允许我们从一个文件中获取皮肤,从另一个文件中获取动画,只要它们具有兼容的骨架。

例如,文件和兼容,这样他们可以相互混合。走路的人有一件绿色衬衫,月球徒步者穿着一件红色衬衫。walk.daemoonwalk.dae

如果想一个人月球漫步与绿色衬衫,使用walk对皮肤和moonwalk为动画。

如果想一个人走了红衬衣,使用moonwalk对皮肤和walk为动画。

动画标签与皮肤标签一起使用,它需要一个name参数。像这样:

model://sun

walk.dae

moonwalk.dae

提示:查看本教程以了解有关COLLADA动画的更多信息。在凉亭的背景下,作为皮肤COLLADA文件必须有,而动画文件必须有。要一起使用,两个文件必须匹配 并且

立即尝试不同的组合!

同步动画和轨迹

到目前为止,已经了解了创建轨迹和加载静态动画的所有信息。是时候学习如何组合它们了。

可能会想“只是添加 标记给我的演员,将一起工作”。继续尝试,我甚至会给你一个例子:

model://sun

walk.dae

walk.dae

继续加载它,看看会发生什么。这不是预期,对吗?演员的腿根本不动。那是因为Gazebo不知道哪个动画与哪个轨迹匹配。所以让改变动画名称以匹配轨迹类型,如下所示:

walk.dae

好吧,所以演员都在世界上来回移动,并且移动他的腿。但那看起来不太自然,对吧?他的脚在地上滑动。

骨架动画在X轴上包含一个平移组件,通过运行没有任何轨迹的动画来注意到这一点。但是这个动画还没有与轨迹同步。可以通过在内部设置为true 来启用它 

walk.dae

true

注意:y或者z轴没有插值标记,因此请确保您的原位动画沿x轴移动。

现在终于让两个动画完美同步了。应该看到这个人从一侧走到另一侧,一个方向更快,另一个方向更慢。

闭环轨迹

刚学会了如何创建演员并通过SDF设置他们的轨迹。对此的限制是轨迹在开环中运行,也就是说,它没有从环境中获取任何反馈。现在来看看如何使用插件改变轨迹的示例。

提示:如果不熟悉Gazebo插件,请先查看一些插件教程。

Gazebo有一个示范世界,演员四处移动,同时避开障碍物。看看它在运行:

gazebo worlds/cafe.world

SDF中的插件

就像模型一样,可以为任何actor编写自定义插件,并在SDF描述中分配插件。来看看 cafe.world 中引用视频中某个演员的部分:

0 1 1.25 0 0 0

moonwalk.dae

1.0

walk.dae

1.000000

true

0 -5 1.2138

1.15

1.8

5.1

cafe

ground_plane

可以看到,不是给出要遵循的特定路点列表,而是给出了一个插件。在插件标签内,有几个参数可以专门针对这个插件进行调整。我们不会详细介绍插件的工作原理,这里的目的是展示一些参数可以暴露出来,确定轨迹的逻辑将在插件内部。

插件C ++代码

ActorPlugin可在此处找到 该源代码。而 这里 是头。

第一个技巧是听这样的世界更新开始事件:

this->connections.push_back(event::Events::ConnectWorldUpdateBegin(

std::bind(&ActorPlugin::OnUpdate, this, std::placeholders::_1)));

这样,指定一个回调,它将在每次迭代时调用。这是我们将更新演员轨迹的功能。让看一下插件在该函数中的作用:ActorPlugin::OnUpdate

void ActorPlugin::OnUpdate(const common::UpdateInfo &_info)

{

// Time delta

double dt = (_info.simTime - this->lastUpdate).Double();

ignition::math::Pose3d pose = this->actor->GetWorldPose().Ign();

ignition::math::Vector3d pos = this->target - pose.Pos();

ignition::math::Vector3d rpy = pose.Rot().Euler();

double distance = pos.Length();

// Choose a new target position if the actor has reached its current

// target.

if (distance < 0.3)

{

this->ChooseNewTarget();

pos = this->target - pose.Pos();

}

它首先检查当前信息,如时间和演员姿势。如果它已经到达目标目的地,选择一个新目的地。

// Normalize the direction vector, and apply the target weight

pos = pos.Normalize() * this->targetWeight;

// Adjust the direction vector by avoiding obstacles

this->HandleObstacles(pos);

// Compute the yaw orientation

ignition::math::Angle yaw = atan2(pos.Y(), pos.X()) + 1.5707 - rpy.Z();

yaw.Normalize();

// Rotate in place, instead of jumping.

if (std::abs(yaw.Radian()) > GZ_DTOR(10))

{

pose.Rot() = ignition::math::Quaterniond(1.5707, 0, rpy.Z()+

yaw.Radian()*0.001);

}

else

{

pose.Pos() += pos * this->velocity * dt;

pose.Rot() = ignition::math::Quaterniond(1.5707, 0, rpy.Z()+yaw.Radian());

}

// Make sure the actor stays within bounds

pose.Pos().X(std::max(-3.0, std::min(3.5, pose.Pos().X())));

pose.Pos().Y(std::max(-10.0, std::min(2.0, pose.Pos().Y())));

pose.Pos().Z(1.2138);

然后继续计算目标姿势,同时考虑障碍物并确保我们有平稳的运动。以下步骤是最重要的,因为它们涉及特定于actor的API。

// Distance traveled is used to coordinate motion with the walking

// animation

double distanceTraveled = (pose.Pos() -

this->actor->GetWorldPose().Ign().Pos()).Length();

this->actor->SetWorldPose(pose, false, false);

this->actor->SetScriptTime(this->actor->ScriptTime() +

(distanceTraveled * this->animationFactor));

this->lastUpdate = _info.simTime;

}

首先将actor的世界姿势设置为静态模型SetWorldPose。但这不会触发动画。这是通过告诉演员它的骨架动画应该在哪个点来完成的SetScriptTime。

总之,在编写自己的插件时,可以使用您选择的逻辑在每个时间步骤定义所需的姿势。另外,不要忘记选择适当的脚本时间来同步动画。在此处查看该类 的完整API 。physics::Actor

中级教程:连接到ROS 1.0

概述

Velodyne传感器功能齐全,但没有像ROS这样的机器人中间件的插件。使用Gazebo和ROS的好处之一是它可以在现实世界和模拟世界之间轻松切换。为了实现这一目标,需要让我们的传感器与ROS生态系统很好地配合。

添加ROS传输

修改当前的插件以包含ROS传输机制,其方式与我们在前一个教程中添加Gazebo传输机制的方式类似。

我们假设您的系统上当前已经安装了ROS。

将头文件添加到文件中。velodyne_plugin.cc

#include

#include "ros/ros.h"

#include "ros/callback_queue.h"

#include "ros/subscribe_options.h"

#include "std_msgs/Float32.h"

向插件添加一些成员变量。

/// \brief A node use for ROS transport

private: std::unique_ptr rosNode;

/// \brief A ROS subscriber

private: ros::Subscriber rosSub;

/// \brief A ROS callbackqueue that helps process messages

private: ros::CallbackQueue rosQueue;

/// \brief A thread the keeps running the rosQueue

private: std::thread rosQueueThread;

在Load函数结束时,添加以下内容。

// Initialize ros, if it has not already bee initialized.

if (!ros::isInitialized())

{

int argc = 0;

char **argv = NULL;

ros::init(argc, argv, "gazebo_client",

ROS、OpenAI和Gazebo机器人与人工智能仿真与实践教研杂记(二)环境构建

ros::init_options::NoSigintHandler);

}

// Create our ROS node. This acts in a similar manner to

// the Gazebo node

this->rosNode.reset(new ros::NodeHandle("gazebo_client"));

// Create a named topic, and subscribe to it.

ros::SubscribeOptions so =

ros::SubscribeOptions::create(

"/" + this->model->GetName() + "/vel_cmd",

1,

boost::bind(&VelodynePlugin::OnRosMsg, this, _1),

ros::VoidPtr(), &this->rosQueue);

this->rosSub = this->rosNode->subscribe(so);

// Spin up the queue helper thread.

this->rosQueueThread =

std::thread(std::bind(&VelodynePlugin::QueueThread, this));

如果仔细阅读代码,会注意到需要两个新功能:OnRosMsg和QueueThread。现在加上这些。

/// \brief Handle an incoming message from ROS

/// \param[in] _msg A float value that is used to set the velocity

/// of the Velodyne.

public: void OnRosMsg(const std_msgs::Float32ConstPtr &_msg)

{

this->SetVelocity(_msg->data);

}

/// \brief ROS helper function that processes messages

private: void QueueThread()

{

static const double timeout = 0.01;

while (this->rosNode->ok())

{

this->rosQueue.callAvailable(ros::WallDuration(timeout));

}

}

要处理的最后一项是cmake构建。

打开。CMakeLists.txt

修改文件的顶部部分如下所示。

cmake_minimum_required(VERSION 2.8 FATAL_ERROR)

find_package(roscpp REQUIRED)

find_package(std_msgs REQUIRED)

include_directories(${roscpp_INCLUDE_DIRS})

include_directories(${std_msgs_INCLUDE_DIRS})

修改插件的目标链接库。

target_link_libraries(velodyne_plugin ${GAZEBO_LIBRARIES} ${roscpp_LIBRARIES})

现在应该是这样的。CMakeLists.txt

cmake_minimum_required(VERSION 2.8 FATAL_ERROR)

find_package(roscpp REQUIRED)

find_package(std_msgs REQUIRED)

include_directories(${roscpp_INCLUDE_DIRS})

include_directories(${std_msgs_INCLUDE_DIRS})

# Find Gazebo

find_package(gazebo REQUIRED)

include_directories(${GAZEBO_INCLUDE_DIRS})

link_directories(${GAZEBO_LIBRARY_DIRS})

set(CMAKE_CXX_FLAGS "${CMAKE_CXX_FLAGS} ${GAZEBO_CXX_FLAGS}")

# Build our plugin

add_library(velodyne_plugin SHARED velodyne_plugin.cc)

target_link_libraries(velodyne_plugin ${GAZEBO_LIBRARIES} ${roscpp_LIBRARIES})

# Build the stand-alone test program

add_executable(vel vel.cc)

if (${gazebo_VERSION_MAJOR} LESS 6)

include(FindBoost)

find_package(Boost ${MIN_BOOST_VERSION} REQUIRED system filesystem regex)

target_link_libraries(vel ${GAZEBO_LIBRARIES} ${Boost_LIBRARIES})

else()

target_link_libraries(vel ${GAZEBO_LIBRARIES})

endif()

确保已经成功配置好ROS:

source /opt/ros//setup.bash

重新编译插件。

cd ~/velodyne_plugin/build

cmake ../

make

从ROS控制Velodyne

我们现在可以像往常一样加载Gazebo插件,它将监听ROS主题以获取传入的浮动消息。然后,这些消息将用于设置Velodyne的旋转速度。

开始 roscore

source /opt/ros//setup.bash

roscore

在新的终端,启动Gazebo

cd ~/velodyne_plugin/build

source /opt/ros//setup.bash

gazebo ../velodyne.world

在新终端中,用于rostopic发送速度消息。

source /opt/ros//setup.bash

rostopic pub /my_velodyne/vel_cmd std_msgs/Float32 1.0

更改上述命令的最后一个数字以设置不同的速度。

结论

恭喜,现在拥有构建自定义模型,共享模型和生成公共API的工具。玩得开心,快乐模拟!

机器人

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