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【附源码】

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<actor> 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。

<?xml version="1.0" ?>
<sdf version="1.6">
   <world name="default">
      <!-- A ground plane -->
      <include>
         <uri>model://ground_plane</uri>
      </include>
      <!-- A global light source -->
      <include>
         <uri>model://sun</uri>
      </include>

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：

      <!-- An actor -->
      <actor name="animated_box">
        <link name="link">
          <visual name="visual">
            <geometry>
              <box>
                <size>.2 .2 .2</size>
              </box>
            </geometry>
          </visual>
        </link>

现在是actor演员，<script>标签特有的部分。首先告诉它永远循环，并在世界加载后立即开始播放。

        <script>
          <loop>true</loop>
          <delay_start>0.000000</delay_start>
          <auto_start>true</auto_start>

可以使用以下参数：

• loop：将此设置为true，以便在循环中重复脚本。对于流体连续运动，确保最后一个航路点与第一个航路点匹配，如下所示。

• delay_start：这是在启动脚本之前等待的时间（以秒为单位）。如果在循环中运行，则在开始每个循环之前将等待此时间。

• auto_start：如果动画应在模拟开始播放后立即启动，则设置为true。如果动画只应在插件触发时才开始播放，则将其设置为false很有用。

最后，定义了一系列航点的轨迹（waypoint）：

          <trajectory id="0" type="square">
             <waypoint>
                <time>0.0</time>
                <pose>-1 -1 1 0 0 0</pose>
             </waypoint>
             <waypoint>
                <time>1.0</time>
                <pose>-1 1 1 0 0 0</pose>
             </waypoint>
             <waypoint>
                <time>2.0</time>
                <pose>1 1 1 0 0 0</pose>
             </waypoint>
             <waypoint>
                <time>3.0</time>
                <pose>1 -1 1 0 0 0</pose>
             </waypoint>
             <waypoint>
                <time>4.0</time>
                <pose>-1 -1 1 0 0 0</pose>
             </waypoint>
          </trajectory>
        </script>
      </actor>
   </world>
</sdf>

在<trajectory>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：

<?xml version="1.0" ?>
<sdf version="1.6">
  <world name="default">
    <include>
      <uri>model://sun</uri>
    </include>
    <actor name="actor">
      <skin>
        <filename>walk.dae</filename>
      </skin>
    </actor>
  </world>
</sdf>

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<skin>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<filename>可以是绝对路径，例如：

/home/<user>/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：

<?xml version="1.0" ?>
<sdf version="1.6">
  <world name="default">
    <include>
      <uri>model://sun</uri>
    </include>
    <actor name="actor">
      <skin>
        <filename>walk.dae</filename>
      </skin>
      <animation name="animation">
        <filename>moonwalk.dae</filename>
      </animation>
    </actor>
  </world>
</sdf>

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<library_effects>和<library_materials>，而动画文件必须有<library_animations>。要一起使用，两个文件必须匹配<library_geometries>，<library_controllers> 并且<library_visual_scenes>。

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<skin>，<animation>并<trajectory> 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：

<sdf version="1.6">
  <world name="default">
    <include>
      <uri>model://sun</uri>
    </include>
    <actor name="actor">
      <skin>
        <filename>walk.dae</filename>
      </skin>
      <animation name="animation">
        <filename>walk.dae</filename>
      </animation>
      <script>
        <trajectory id="0" type="walking">
          <waypoint>
            <time>0</time>
            <pose>0 2 0 0 0 -1.57</pose>
          </waypoint>
          <waypoint>
            <time>2</time>
            <pose>0 -2 0 0 0 -1.57</pose>
          </waypoint>
          <waypoint>
            <time>2.5</time>
            <pose>0 -2 0 0 0 1.57</pose>
          </waypoint>
          <waypoint>
            <time>7</time>
            <pose>0 2 0 0 0 1.57</pose>
          </waypoint>
          <waypoint>
            <time>7.5</time>
            <pose>0 2 0 0 0 -1.57</pose>
          </waypoint>
        </trajectory>
      </script>
    </actor>
  </world>
</sdf>

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：

      <animation name="walking">
        <filename>walk.dae</filename>
      </animation>

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<interpolate_x>在内部设置为true 来启用它 <animation>。

      <animation name="walking">
        <filename>walk.dae</filename>
        <interpolate_x>true</interpolate_x>
      </animation>

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：

<actor name="actor1">
  <pose>0 1 1.25 0 0 0</pose>
  <skin>
    <filename>moonwalk.dae</filename>
    <scale>1.0</scale>
  </skin>
  <animation name="walking">
    <filename>walk.dae</filename>
    <scale>1.000000</scale>
    <interpolate_x>true</interpolate_x>
  </animation>
  <plugin name="actor1_plugin" filename="libActorPlugin.so">
    <target>0 -5 1.2138</target>
    <target_weight>1.15</target_weight>
    <obstacle_weight>1.8</obstacle_weight>
    <animation_factor>5.1</animation_factor>
    <ignore_obstacles>
      <model>cafe</model>
      <model>ground_plane</model>
    </ignore_obstacles>
  </plugin>
</actor>

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

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。

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。

1. 将头文件添加到文件中。velodyne_plugin.cc

   #include <thread>
   #include "ros/ros.h"
   #include "ros/callback_queue.h"
   #include "ros/subscribe_options.h"
   #include "std_msgs/Float32.h"

2. 向插件添加一些成员变量。

   /// \brief A node use for ROS transport
   private: std::unique_ptr<ros::NodeHandle> 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;

3. 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::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<std_msgs::Float32>(
         "/" + 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));

4. 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));
     }
   }

5. 要处理的最后一项是cmake构建。

   1. 打开。CMakeLists.txt

   2. 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})

   3. 修改插件的目标链接库。

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

   4. 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()

6. 确保已经成功配置好ROS：

   source /opt/ros/<DISTRO>/setup.bash

7. 重新编译插件。

   cd ~/velodyne_plugin/build
   cmake ../
   make

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。

1. 开始 roscore

   source /opt/ros/<DISTRO>/setup.bash
   roscore

2. 在新的终端，启动Gazebo

   cd ~/velodyne_plugin/build
   source /opt/ros/<DISTRO>/setup.bash
   gazebo ../velodyne.world

3. 在新终端中，用于rostopic发送速度消息。

   source /opt/ros/<DISTRO>/setup.bash
   rostopic pub /my_velodyne/vel_cmd std_msgs/Float32 1.0

4. 更改上述命令的最后一个数字以设置不同的速度。

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！

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