ROS与Matlab语言入门教程-在Gazebo中应用力和力矩

本例程演示应用力和力矩到Gazebo仿真器中的模型的一些方法。首先，使用门作为图解验证了三种力矩应用的方法；其次，两个TurtleBot创建模型演示了混合模型的力；最后，对象属性（此处，边界）通过基本的球体验证。

预备知识："4.2开始使用Gazebo和仿真的TurtleBot"，"5.1从Gazebo读取模型和仿真属性"，"5.2在Gazebo中增加、建立和删除对象"。

连接到Gazebo

在用户的Linux计算机启动Gazebo，如果用户使用"4.2开始使用Gazebo和仿真的TurtleBot"的虚拟机，则使用“Gazebo Empty world”。初始化ROS，必须使用虚拟机的IP地址替换如下指令中的示例IP地址（192.168.1.1），创建“theExampleHelperGazeboCommunicator”的示例。

ipaddress = '192.168.1.1'
rosinit(ipaddress)
gazebo = ExampleHelperGazeboCommunicator();

增加移动通道

本小结演示三种不同的方法，应用关节力矩，此处使用了门。在仿真器中创建一个门并产生三个实例，指定产生的位置（m）和方向（rad）。

doormodel = ExampleHelperGazeboModel('hinged_door','gazeboDB');
door1 = spawnModel(gazebo,doormodel,[-1.5 2.0 0]);
door2 = spawnModel(gazebo,doormodel,[-1.5 0.5 0],[0 0 pi]);
door3 = spawnModel(gazebo,doormodel,[-1.5 -2.5 0]);

Gazebo中的所有单位采用SI约定。增加门之后，世界如下图所示。

注意，当Gazebo仿真被闲置时，可移动的物体通常会偏移。所以，如果用户看到门没有控制指令却缓慢移动，这是正常的现象。之所以发生这样的现象，是因为现实中的摩擦力大于Gazebo仿真器中的理想设置。

获取第一个门链接的关节的句柄并显示：

[links, joints] = getComponents(door1)

输出类似如下：

links =
'hinged_door::frame'
'hinged_door::door'
'hinged_door::handles'
joints =
'hinged_door::handle'
'hinged_door::hinge'
'hinged_door::world_joint'

对于第一个门，直接应用力矩到“hinge”关节。

使用“jointTorque”应用力矩到第一个门，这将让第一个门在仿真期间保持打开。头两行定义了应用力矩的停止时间和作用力参数。“joints”单元数组的第二个项是“hinged_door::hinge”，在“jointTorque”调用中使用

stopTime = 5; % Seconds
effort = 3.0; % Newton-meters
jointTorque(door1, joints{2}, stopTime, effort);

第二种方法是应用力矩到门的链环而不是铰链接合，该方法并不清洁，因为应用力矩到链环的质量的中心（此处是门），并不是应用于旋转轴。该方法同样产生力矩使门移动。

使用“applyForce”函数，“links”的第二项是“hinged_door::door”，在调用“applyForce”时使用它。

forceVector = [0 0 0]; % Newtons
torqueVector = [0 0 3]; % Newton-meters
applyForce(door2, links{2}, stopTime, forceVector, torqueVector);

用户可以直接应用力（而不是力矩）到门的质心，命令如下：

forceVector = [0 -2 0]; % Newtons
applyForce(door2, links{2}, stopTime, forceVector);

注意，力总是从世界坐标系应用，而不是对象坐标系。当用户应用力，它持续的作用于y的负方向。这不会导致一个持续对门的力矩。

对于第三个门，手动定义一个铰链角度，没有使用力或者力矩。

使用while循环为门创建一个摆动行为，使用“ExampleHelperGazeboSpawnedModel”类的“setConfig”函数。

angdelta = 0.1; % Radians
dt = 0; % Seconds
angle = 0; % Radians
tic
while (toc < stopTime)
if angle > 1.5 || angle < 0 % In radians
angdelta = -angdelta;
end
angle = angle+angdelta;
setConfig(door3,joints{2},angle);
pause(dt);
end

创建TurtleBot对象以操控

本小节展示TurtleBot的创建以及从外部操纵，展示了一个更加复杂的对象的简单控制。通过从数据库（GazeboDB）增加一个“GazeboModel”创建另一个TurtleBot，该生产的机器人是“TurtleBot Create”而不是“kobuki”。应用外部的力矩到它的右轮。注意，生产“Create”需要连接到互联网。

botmodel = ExampleHelperGazeboModel('turtlebot','gazeboDB');
bot = spawnModel(gazebo,botmodel,[1,0,0]);

最初生产的TurtleBot面向x轴的零度角，使用如下的命令更改方向到pi/2（90°）

setState(bot,'orientation',[0 0 pi/2]);

使用“applyForce”，从“ExampleHelperGazeboSpawnedModel”对象应用外部力矩让TurtleBot Creat的右轮移动。

[botlinks, botjoints] = getComponents(bot)
botlinks =
'turtlebot::rack'
'turtlebot::create::base'
'turtlebot::create::left_wheel'
'turtlebot::create::right_wheel'
'turtlebot::kinect::link'
botjoints =
'turtlebot::create::left_wheel'
'turtlebot::create::right_wheel'
'turtlebot::create_rack'
'turtlebot::kinect_rack'

“botjoints”的第二项是“turtlebot::create::right_wheel”，在调用“jointTorque”时使用“botjoints{2}”。

turnStopTime = 1; % Seconds
turnEffort = 0.2; % Newton-meters
jointTorque(bot, botjoints{2}, turnStopTime, turnEffort)

用户可以实验将力应用到TurtleBot的基而不是轮子。

使用“spawnModel”创建第二个“TurtleBot Create”：

bot2 = spawnModel(gazebo,botmodel,[2,0,0]);
[botlinks2, botjoints2] = getComponents(bot2)
botlinks2 =
'turtlebot::rack'
'turtlebot::create::base'
'turtlebot::create::left_wheel'
'turtlebot::create::right_wheel'
'turtlebot::kinect::link'
botjoints2 =
'turtlebot::create::left_wheel'
'turtlebot::create::right_wheel'
'turtlebot::create_rack'
'turtlebot::kinect_rack'

在y方向应用力到基，看到基几乎不移动，力作用于轮子的垂直方向上。

“botlinks2”的第一项是“turtlebot::create::base”，在调用“applyForce”时使用“botlinks2{1}”。

applyForce(bot2,botlinks2{1},2,[0 1 0]);

在x方向上应用力，机器人更快速的运动。

applyForce(bot2,botlinks2{1},2,[1 0 0]);

应用力矩到TurtleBot的基让它旋转。

applyForce(bot2,botlinks2{1},2,[0 0 0],[0 0 1]);

增加跳动球体

本小节示范创建两个球体并公开“弹力”属性。

使用“ExampleHelperGazeboModel”类在仿真中创建两个球体，通过“addLink”指定弹力参数。

bounce = 1; % Unitless coefficient
maxCorrectionVelocity = 10; % Meters per second
ballmodel = ExampleHelperGazeboModel('ball');
addLink(ballmodel,'sphere',0.2,'color',[0.3 0.7 0.7 0.5],'bounce',[bounce maxCorrectionVelocity]);

生产两个球体，一个在另一个的上方，以阐明弹力。

spawnModel(gazebo,ballmodel,[0 1 2]);
spawnModel(gazebo,ballmodel,[0 1 3]);

在增加球体之后，整个界面如下图所示。

移除模型和关闭

清除模型：

exampleHelperGazeboCleanupApplyForces;

当用户完成工作后，清楚工作空间中的发布器、订阅器和其它有关ROS的对象是个良好的习惯。

clear

建议当完成ROS网络有关的工作之后，使用“rosshutdown”指令关闭全局节点和断开与Gazebo的连接。

rosshutdown

当用户已经完成操作，在虚拟机上关闭Gazebo窗口。