2023 iThome 鐵人賽

自我挑戰組

ROS2 及 ROS Porting 自學筆記系列第 29 篇

Day29 ROS2 Simulation

15th鐵人賽 ros2 ros2 porting ros ros simulation

leochien1110

2023-10-20 14:03:30

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Simulation

模擬器在機器人領域非常重要，可以把昂貴的機器人放在虛擬世界中，進行測試，也可以在虛擬世界中進行演算法的開發，減少實體機器人的損耗。還有不同感測器的相對位置和遮擋也都可以在模擬器中進行測試，減少在實體機器人上的調整時間。

模擬器有很多種，有些事針對特定情境的模擬器像是自駕車或是無人機，而有些則是通用型的模擬器，可以用來模擬各種不同的機器人。而這些給機器人用的模擬器大多也支援ROS，不論事原生支援還是透過ROS Bridge的方式來支援，都可以在ROS中使用。

這裡就介紹幾個比較有名的模擬器，不過具體使用方式超出太多就不講解了，僅介紹一下各自的特色和使用情境。基本上這邊每一個模擬器都可以出一篇鐵人

Gazebo(Ignition simulator)

gazebo preview
Gazebo是ROS本身自帶的模擬器，可以在ROS中直接使用，也可以單獨使用。Gazebo的模擬器是基於OGRE的引擎，是一個很古老的開源的3D圖形引擎。

其中裡面有很多官方預設的模型，也有很多第三方的模型，可以直接使用，也可以自己建立模型。Gazebo主要是由SDF來描述模型，SDF是XML的格式，可以用文字編輯器來編輯，也可以用GUI的方式來編輯，Gazebo也有提供GUI的編輯器，可以直接在Gazebo中編輯模型。

由於Gazebo比較簡單，這邊會介紹比較詳細一些。

安裝

這邊提供Ubuntu 20.04 + ROS Foxy的安裝連結，其他版本請參考Ignition Gazebo的官方文件。

簡單範例

啟動Gazebo world visualize_lidar.sdf:

ign gazebo -v 4 -r visualize_lidar.sdf

應該可以看到下面的視窗，有遊樂園和一個藍色的車子。
gazebo_lidar

檢查Ignition Gazebo的Topics:

ign topic -l

⚠️ 注意：這邊的ign topic和ros2 topic不同，ign topic是Ignition Gazebo的指令，ros2 topic是ROS2的指令。

要把ROS2的Topic和Ignition Gazebo的Topic連接起來，可以使用ros_ign_bridge的package。首先安裝：

sudo apt-get install ros-foxy-ros-ign-bridge

接著啟動ros_ign_bridge：

source /opt/ros/foxy/setup.bash
ros2 run ros_ign_bridge parameter_bridge /model/vehicle_blue/cmd_vel@geometry_msgs/msg/Twist]ignition.msgs.Twist

更多ros_ign_bridge的使用方式可以參考官方文件。

接著我們可以控制車子的速度，有以下幾種方法

使用ros2 topic pub的方式

ros2 topic pub /model/vehicle_blue/cmd_vel geometry_msgs/Twist  "linear: { x: 0.1 }"

使用teleop_twist_keyboard的方式，記得要remap /cmd_vel到/model/vehicle_blue/cmd_vel

# 如果還沒安裝的話
sudo apt-get install ros-foxy-teleop-twist-keyboard

ros2 run teleop_twist_keyboard teleop_twist_keyboard --ros-args -r /cmd_vel:=/model/vehicle_blue/cmd_vel

不只指令可以從gazebo bridge到ROS2，Sensor的資料也可以。上述的範例中帶有LiDAR，可以將LiDAR的資料bridge到ROS2，並且使用rviz2來顯示。首先開啟lidar bridge：

ros2 run ros_ign_bridge parameter_bridge /lidar2@sensor_msgs/msg/LaserScan[ignition.msgs.LaserScan --ros-args -r /lidar2:=/laser_scan

接著開啟rviz2：

rviz2

Fixed Frame選擇vehicle_blue/lidar_link/gpu_lidar。
Add->By Topic->/laser_scan/LaserScan，就可以看到LiDAR的資料了。
rviz2_lidar_scan

Webots

webots
這也是ROS2官方建議的模擬器，也是一個開源的模擬器，可以用來模擬各種不同的機器人，也可以用來模擬各種不同的感測器。操作相較於Gazebo更直覺，模擬器的引擎也比較新，看起來會比Gazebo更真實。

安裝

可以選擇使用Distributio安裝或Source Code安裝。這邊使用Ubuntu Distribution安裝，其他方式、作業系統請參考官網說明。

sudo apt-get install ros-foxy-webots-ros2

要測試是否安裝成功，啟動webots_ros2_universal_robot

source /opt/ros/foxy/setup.bash
export WEBOTS_HOME=/usr/local/webots    # 設定Webots的安裝路徑
ros2 launch webots_ros2_universal_robot multirobot_launch.py

要測試簡單範例的話可以參考這邊的教學，做出一個圓柱體小車的機器人。

Carla

Carla模擬器是一種開放源碼的自動駕駛模擬器，是基於Unreal Engine所開發的。它可以生成逼真的城市環境和交通情況。Carla模擬器可以用於開發和測試自動駕駛系統，以及進行交通研究。

Carla模擬器的功能包括：

逼真的城市環境，包括道路、建築物、交通標誌和交通燈。
多種交通情況，包括擁堵、道路施工和交通事故。
多種車輛模型，包括汽車、卡車和公共汽車。
多種傳感器模型，包括攝像頭、雷達和激光雷達。
模擬器 API，允許開發人員創建自己的自動駕駛系統。

Carla模擬器已經被廣泛用於自動駕駛研究。它被用來開發和測試自動駕駛系統的各種技術，包括感知、規劃和控制。Carla模擬器還被用來進行交通研究，例如研究交通流量和交通事故。

Carla模擬器是一種強大的工具，可用於開發和測試自動駕駛系統。它提供了一個逼真的環境來測試自動駕駛系統的性能，並且可以用來進行交通研究。

以下是Carla模擬器的一些具體應用：

自動駕駛系統的開發和測試
交通研究
娛樂和遊戲
Carla模擬器是一種免費的開源工具，可在GitHub上找到，並且可以在官方文件上找到更多教學和介紹。

AWSIM

awsim

AWSIM是由Tier IV所開發的模擬器，主要是針對自駕車的模擬器，可以模擬自駕車在不同的環境中的行為，也可以模擬不同的感測器在不同的環境中的表現。AWSIM是基於Unreal Engine所開發的，Unreal Engine是一個商業的3D圖形引擎，可以用來開發遊戲，也可以用來開發模擬器。

Tier IV本身是做車用相機的，不過最有名的還是全開源的自駕車軟體Autoware。Autoware是一個完整的自駕車軟體，包含了感測器的蒐集、感測器的融合、路徑規劃、控制等等，AWSIM就是為了Autoware所開發的模擬器，可以用來測試Autoware的各種功能。而且Autoware本身就是建立在ROS2之上，而AWSIM又是專門給Autoware使用的，因此強烈推薦要玩自駕車的人可以嘗試。

不過比較麻煩的是，目前Autoware是採用最新的ROS2 Humble，而最新的Nvidia AGX Orin邊緣運算電腦還還在Ubuntu 20.04僅能安裝ROS2 Foxy，所以得要用Docker。