控制無人機需要寫 ROS 節點，但是 Gazebo 和 ROS 畢竟還是兩個獨立的系統，並不能直接通訊。因此還需要在我們的模型中加入插件（plugins）才行。

Gazebo 的插件（plugins）

Gazebo 的插件（plugin） 是官方提供的函式庫，透過匯入插件到模型的 SDF 檔或 URDF 檔中，可以讓開發者為模擬環境中的模型加入感測器的功能，或是讓 Gazebo 與 ROS 互相通訊藉此控制模型。

Gazebo 插件使用的是 C++ 來寫的，而開發者也可以根據原始碼調整，建立預設類型之外的感測器插件。由於這個系列主要還是使用 Python 來寫程式，因此這一篇會直接使用現有插件，就不重新寫一個新的插件了。

Gazebo 插件分為幾種主要類型，我們會用到的有以下這兩種：

1. 模型插件（Model Plugins）：

   模型插件可以改變模型的運動狀態和行為，例如施加外力和扭力、設定速度和位置，或是讓它們根據指令進行移動、旋轉等動作。

2. 感測器插件（Sensor Plugins）：

   感測器插件能模擬多種不同感測器的數值輸出，如相機、IMU、LiDAR 等，這些感測器插件能夠幫助機器人從模擬環境中收集數據，並傳遞到 ROS 處理和進行決策。

無人機專案 ardrone_gazebo

這次使用 ardrone_gazebo 這個專案來當做範例，這是 GitHub 上找到內建感測器的無人機模型。我會快速帶過 Gazebo 插件是如何在這個專案裡使用，並且在之後直接透過這個專案裡的無人機模型來寫控制節點。

安裝套件

按照 Day 5 安裝套件的步驟進行。

$ cd catkin_ws/src

$ git clone https://github.com/PXLRoboticsLab/ardrone_autonomy # 這是 ardrone_gazebo 的相依套件

$ git clone https://github.com/PXLRoboticsLab/ardrone_gazebo

$ cd ..

$ rosdep install --from-paths src --ignore-src -r

$ catkin_make

$ source devel/setup.bash

啟動模擬看看是否安裝成功，應該可以看到開啟類似下圖的模擬視窗。

$ roslaunch ardrone_gazebo single_ardrone.launch 

圖片來源：PXLRoboticsLab/ardrone_gazebo (github)。

安裝完成後就來看看這個套件的內容。

前面提到 Gazebo 的插件原始碼使用 C++ 程式碼（.cc 或 .cpp）撰寫，而我們會需要在模型 SDF 檔中匯入編譯後產生的共享物件檔（.so ），才能供 Gazebo 使用。前者放在這個專案的 src 目錄中，後者則是在 catkin 編譯後放在 plugins 目錄中。

插件原始碼

• 無人機的模型插件：

  在 src 中，ardrone_plugin.cc 這支程式是控制無人機的模型插件，包含了無人機的運動控制指令、狀態管理和與 ROS 、其他感測器插件通訊。

• 無人機的感測器插件：

  其餘名稱包含 plugin 的程式則是定義了無人機上搭載的感測器。例如 plugin_ros_cam.cpp 定義了一個相機插件，用於模擬機載相機看到的畫面，並將其影像資料發佈到 ROS 中。

插件共享物件檔

編譯專案後，插件原始碼會在 plugins 目錄生成對應的 .so 檔，在 Gazebo 中 .so 是代表共享物件檔案（Shared Object File），一旦設定好就可以讓多個專案共享使用。例如 libardrone_plugub.so 是控制無人機的模型插件，而 libplugin_ros_cam.so 便對應相機插件。

匯入模型插件的基礎步驟

首先需要在模型的 SDF 或 URDF 文件中定義要加入的模型插件，在 ardrone_gazebo 專案裡是兩種文件都寫。這次選擇來看 urdf 目錄中的 URDF 檔，URDF 檔和 SDF 檔的差異只差在前者使用 <robot> 標籤，後者則是 <model> 標籤，其餘都大同小異。

URDF 檔案可以更詳細設定機器人的部件，將模型分成連結（Link）和關節（Joint）兩個部份：

• 連結（Link）：每個連結代表機器人的一個部件，可以是靜態的或可移動的。每個連結可以包含其幾何形狀、慣性、材質、碰撞和視覺屬性。

• 關節（Joint）：關節負責連接兩個連結，定義了這兩個連結之間的運動關係。常見的關節類型包括：固定關節（type="fixed"）、旋轉關節（type="revolute"）和滑動關節（type="prismatic"）。

無人機的模型插件

找到 ardrone_gazebo.urdf 中用 <gazebo> 標籤包住的部份如下：

<gazebo>
    <plugin name='ardrone_gazebo' filename='libardrone_plugin.so'>
        <bodyName>base_link</bodyName>
        <imuTopic>/ardrone/imu</imuTopic>

        <!-- 模型控制靈敏度設置  -->
        <rollpitchProportionalGain>10.0</rollpitchProportionalGain>
        <rollpitchDifferentialGain>5.0</rollpitchDifferentialGain>
        <rollpitchLimit>0.5</rollpitchLimit>

        <yawProportionalGain>2.0</yawProportionalGain>
        <yawDifferentialGain>1.0</yawDifferentialGain>
        <yawLimit>1.5</yawLimit>

        <velocityXYProportionalGain>5.0</velocityXYProportionalGain>
        <velocityXYDifferentialGain>2.3</velocityXYDifferentialGain>
        <velocityXYLimit>2</velocityXYLimit>

        <velocityZProportionalGain>5.0</velocityZProportionalGain>
        <velocityZDifferentialGain>1.0</velocityZDifferentialGain>
        <velocityZLimit>-1</velocityZLimit>

        <positionXYProportionalGain>1.1</positionXYProportionalGain>
        <positionXYDifferentialGain>0.0</positionXYDifferentialGain>
        <positionXYIntegralGain>0.0</positionXYIntegralGain>
        <positionXYLimit>5</positionXYLimit>

        <positionZProportionalGain>1.0</positionZProportionalGain>
        <positionZDifferentialGain>0.2</positionZDifferentialGain>
        <positionZLimit>-1</positionZLimit>

        <!-- 無人機能產生的最大動力  -->
        <maxForce>30</maxForce>
        
        <!-- 運動雜訊  -->
        <motionSmallNoise>0.05</motionSmallNoise>
        <motionDriftNoise>0.03</motionDriftNoise>
        <motionDriftNoiseTime>5.0</motionDriftNoiseTime>
    </plugin>
</gazebo>

• Gazebo 和插件標籤：

  不管是模型插件還是感測器插件，都會需要先用定義在 <gazebo> 標籤中。接著使用 <plugin> 標籤定義插件名稱和使用的共享庫（.so 檔）。

• 模型控制靈敏度設置：

  中間的標籤是在定義模型對於各個軸運動的靈敏度，這些設定是基於 PID 控制器（Proportional-Integral-Derivative Controller）演算法設定的，用於調節系統狀態如位置、速度、角度等。

  • 比例增益（Proportional Gain）：數值越大，控制反應越靈敏。

  • 微分增益（Differential Gain）：控制運動的速度變化率，使控制過程更加平穩。

  • 積分增益（Integral Gain）：處理機器人長期運作的累積誤差，確保最終可以精準完成動作。

  • 限制（Limit）：定義速度與角速度的上限，避免模型做出超出現實的行為。

• 雜訊（Noise）：

  這部份定義了無人機運動中的小雜訊，用來模擬真實環境中的微小擾動，包含長時間飛行的微小漂移現象。

因為.so 檔的內容是從 C++ 原始碼生成的，所以不建議直接在這裡修改，加上調整模型的 PID 控制參數通常需要一些經驗和不斷的試錯與調整，所以我們就直接沿用這個專案的設定吧。