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ROS 2 概念和结构

本文介绍了 Open 3D Engine （O3DE） 中 ROS 2 Gem 的底层概念和结构。 您将了解 ROS 2 和 O3DE 如何通信，以及 ROS 2 组件如何相互连接以在机器人模拟中执行各种功能。

ROS 2 概念

有关 ROS 2 概念的快速介绍，请参阅 ROS 2 概念文档 .

结构和通信

ROS2 Gem 创建了一个 ROS 2 节点 ，它直接成为 ROS 2 生态系统的一部分。因此，您的模拟不会使用任何桥接进行通信，并且会通过 Environment Variables（环境变量）等设置进行配置。它确实是生态系统的一部分。

请注意，模拟节点是通过ROS2SystemComponent - 一个单例来处理的。但是，如果您需要多个节点，则可以自由创建和使用自己的节点。

通常，您将创建发布者和订阅，以便使用常见主题与 ROS 2 生态系统进行通信。 这是通过 rclcpp API 完成的。例：

auto ros2Node = ROS2Interface::Get()->GetNode();
AZStd::string fullTopic = ROS2Names::GetNamespacedName(GetNamespace(), m_MyTopic);
m_myPublisher = ros2Node->create_publisher<sensor_msgs::msg::PointCloud2>(fullTopic.data(), QoS());

请注意，QoS 类是一个简单的包装器 rclcpp::QoS .

ROS 2 相关 Gems

提供了四个与ROS 2相关的Gems，每个都有特定用途：

Gem 名称说明
ROS2Base Gem for any ROS 2 based Gem/project, including:
  • ROS 2 Node (singleton) allowing the communication with the ROS 2 ecosystem
  • automated handling of simulation time
  • handling of transformation frames
  • handling ROS 2 namespaces and ROS 2 topics
  • dynamic objects spawning via ROS 2 services
  • base components (e.g. for sensors that can be implemented in any Gem)
ROS2SensorsGem interfacing with ROS 2 ecosystem implementing the following simulation sensors: camera, contact, GNSS, imu, lidar, odometry
ROS2ControllersGem interfacing with ROS 2 ecosystem implementing robot control, manipulation, grippers, and vehicle dynamics; it will also include sensors related to controllers (e.g. wheel odometry)
ROS2RobotImporterGem implementing robot importer tool using ROS 2 components

组件概述

  • Central Singleton
    • ROS2SystemComponent
  • Core abstractions
    • ROS2FrameComponent
    • ROS2SensorComponent
  • Sensors
    • ROS2CameraSensorComponent (available in ROS2Sensors Gem)
    • ROS2GNSSSensorComponent (available in ROS2Sensors Gem)
    • ROS2IMUSensorComponent (available in ROS2Sensors Gem)
    • ROS2LidarSensorComponent (available in ROS2Sensors Gem)
    • ROS2Lidar2DSensorComponent (available in ROS2Sensors Gem)
    • ROS2OdometrySensorComponent (available in ROS2Sensors Gem)
    • ROS2ContactSensorComponent (available in ROS2Sensors Gem)
  • Robot control
    • AckermannControlComponent (available in ROS2Controllers Gem)
    • RigidBodyTwistControlComponent (available in ROS2Controllers Gem)
    • SkidSteeringControlComponent (available in ROS2Controllers Gem)
  • Spawner
    • ROS2SpawnerComponent
    • ROS2SpawnPointComponent
  • Vehicle dynamics
    • AckermannVehicleModelComponent (available in ROS2Controllers Gem)
    • SkidSteeringModelComponent (available in ROS2Controllers Gem)
    • WheelControllerComponent (available in ROS2Controllers Gem)
  • Robot Import (URDF) system component
    • ROS2RobotImporterSystemComponent (available in ROS2RobotImporter Gem)
  • Joints and Manipulation
    • JointsManipulationComponent (available in ROS2Controllers Gem)
    • JointsTrajectoryComponent (available in ROS2Controllers Gem)
    • JointsArticulationControllerComponent (available in ROS2Controllers Gem)
    • JointsPIDControllerComponent (available in ROS2Controllers Gem)

Frames

ROS2FrameComponent 表示机器人的一个有趣的物理部分。它处理此部分与其他参考系之间的时空关系。它还封装了命名空间，这有助于区分不同的机器人和机器人的不同部分，例如在一个机器人上有多个相同的传感器的情况下。

所有传感器和机器人控制组件都需要ROS2FrameComponent.

传感器

传感器从模拟环境中采集数据，并将其发布到ROS 2域中。传感器组件继承自ROS2SensorComponentBase，该基类为所有传感器提供了通用接口。

  • 每个传感器都有一个配置，包括一个或多个发布者。
  • 传感器使用以下两个事件源之一以给定的速率（频率）发布：帧更新或物理场景模拟事件。
  • 一些传感器可以可视化。

如果提供的传感器组件不支持您的传感器，您很可能需要创建一个派生自ROS2SensorComponentBase. 在开发新传感器时，查看 ROS2 Gem 中已经提供的传感器是如何实现的非常有用的。 考虑将新传感器添加为单独的 Gem。这种传感器 Gem 的一个很好的例子是 RGL Gem .

最常用的传感器已实现于ROS2Sensors Gem中。

机器人控制

该 Gem 带有 ROS2RobotControlComponent，您可以使用它来移动您的机器人：

组件在配置的主题上订阅这些命令消息。默认情况下，该主题是 cmd_vel 的，位于 ROS2Frame 指定的命名空间中。

要使用收到的命令消息，请使用AckermannControlComponent, RigidBodyTwistControlComponent, 或 SkidSteeringControlComponent，具体取决于转向类型。 您还可以实现自己的控制组件或使用 Lua 脚本来处理这些命令。 除非使用脚本，否则控制组件应将 ROS 2 命令转换为 VehicleInputControlBus. 如果存在 VehicleModelComponent，则这些事件将由 VehicleModelComponent处理。 您可以使用 rqt_robot_steering 等工具通过 Twist 消息移动您的机器人。 RobotControl 适合与 ROS 2 导航堆栈 . 可以使用此组件实现自己的控制机制。

该实现可在 ROS2Controllers Gem 中获取。

关节和操纵器

为了控制机械臂等机器人关节系统，与 MoveIt2 进行了一些集成。 支持两种模拟关节系统：

  • 接合链接，受益于物理引擎中简化的坐标接合的稳定性。
  • 铰链和棱柱关节组件。 当 导入机器人 带有关节时，您可以决定使用哪些系统。

有三个接口可用于控制关节系统： JointsPositionControllerRequests, JointsManipulationRequests and JointsTrajectoryRequest. 这些接口中的每一个在 ROS 2 Gem 中都有一个或多个实现，并且可以使用这些接口以模块化方式开发自定义行为。

JointManipulationComponent 允许您为所有关节设置目标位置。如果您希望使用 trajectory through 控制移动 FollowJointTrajectory 操作 , 使用 JointsTrajectoryComponent.

该实现可在 ROS2Controllers Gem 中获取。

Joint States

JointsManipulationComponent 默认也发布 关节状态 。

该实现可在 ROS2Controllers Gem 中获取。

Vehicle Model

VehicleModelComponent用于将目标速度、转向或加速度等输入转换为车辆部件（机器人）上的物理力。 VehicleModel 有一个 VehicleConfiguration，用于定义车轴、参数化和分配车轮。 该模型需要每个轮子实体中都存在一个 WheelControllerComponent 。它还使用了 DriveModel 的实现，将车辆输入转换为作用在转向元件和车轮上的力。

该实现可在 ROS2Controllers Gem 中获取。

Vehicle Dynamics

见 Vehicle Dynamics 章节。

Spawner

ROS2SpawnerComponent 处理在模拟期间生成实体。 在模拟之前，您必须设置为组件的可用可生成项，并通过 O3DE 编辑器 在组件的属性中定义命名的生成点。 这可以通过将 ROS2SpawnPointComponent 添加到具有 ROS2SpawnerComponent 的实体的子实体来完成。 在模拟期间，您可以使用 ROS 2 服务访问可用可生成对象的名称并请求生成。 服务的名称分布包括/get_available_spawnable_names 和 /spawn_entity 。 GetWorldProperties.srv 和 SpawnEntity.srv 类型用于处理这些功能。 为了请求定义的生成点名称，您可以使用带有GetWorldProperties.srv 类型的/get_spawn_points_names服务。 有关特定生成点的详细信息，例如姿势，可以使用具有GetModelState.srv类型的/get_spawn_point_info服务进行访问。 所有使用的服务类型都在 gazebo_msgs 包中定义。

  • Spawning: 要生成，您必须将可生成名称传入request.name 中，将实体的位置传入 request.initial_pose 中。
    • 示例调用:
    ros2 service call /spawn_entity gazebo_msgs/srv/SpawnEntity "{name: 'robot', initial_pose: {position:{ x: 4.0, y: 4.0, z: 0.2 }, orientation: { x: 0.0, y: 0.0, z: 0.0, w: 0.0 } } }"
  • Spawning in defined spawn point: 将可生成对象传入 request.name 中，将生成点的名称传入 request.xml 中。
    • 示例调用:
      ros2 service call /spawn_entity gazebo_msgs/srv/SpawnEntity "{name: 'robot', xml: 'spawn_spot'}"
  • Spawning using WGS84 coordinates: 启用 Georeference 组件 时，您还可以使用地理位置生成对象。将 reference_frame 设置为 wgs84 并提供坐标。
    • 示例调用 生成在 52°14′22″N, 21°02′44″E:
      ros2 service call /spawn_entity gazebo_msgs/srv/SpawnEntity "{name: 'robot', initial_pose: { position: { x: 52.2406855386909, y: 21.04264386637526, z: 0.0 }, orientation: {  x: 0.0, y: 0.0, z: 0.0, w: 0.0 } }, reference_frame: 'wgs84'}"
  • Available spawnable names access: 将可用可生成对象的名称发送到 response.model_names 中。
    • 示例调用:
      ros2 service call /get_available_spawnable_names gazebo_msgs/srv/GetWorldProperties
  • Defined spawn points’ names access: 将已定义点的名称发送到 response.model_names
    • 示例调用:
      ros2 service call /get_spawn_points_names gazebo_msgs/srv/GetWorldProperties
  • Detailed spawn point info access: 将生成点名称传入 request.model_name 中，将定义的姿势传入 response.pose 中。
    • 示例调用:
      ros2 service call /get_spawn_point_info gazebo_msgs/srv/GetModelState "{model_name: 'spawn_spot'}"