大家好，我是(月更俠)小明，很高興我們又見面啦。相信大家從我之前的文章中能看出來，我所講的內容基本都面向ROS新人，因為大家剛入門時，往往很難一窺程序的深層運行邏輯，使得許多問題遲遲無法解決，甚是耽誤時間。例如在和小伙伴們日常交流時，就反復遇到過一些關于Gazebo仿真控制的“經典”問題：A 我的模型一直抖動，怎么辦？B PID參數該怎么設置啊？我怎么調都沒用！C 我必須要設置PID參數嗎？如果不設置會怎么樣D gazebo_ros_control插件可以完成計算力矩控制等更加復雜的控制策略嗎？E 我的并聯機器人模型只能用sdf創建，可以使用gazebo_ros_control進行控制嗎？......通過本篇文章的分析，我們將揭曉這些問題的答案。在Gazebo仿真中，我們最常使用的控制插件就是是gazebo_ros_control，它是ros_control針對Gazebo仿真開發的插件。圖 1 ros_control組成概覽，其中左上角方框內就是gazebo_ros_control插件所實現的功能該插件的詳細使用方法，可參考古月居ROS探索總結系列的相關文章。簡單來說，就是進行了如下三個操作：

在機器人模型的URDF文件中，添加gazebo_ros_control插件，并添加transmission指明了各關節控制器的類型信息

建立一個yaml文件，用來定義各控制器的pid參數

建立一個roslaunch，用來加載模型、控制參數、控制器，并發布tf

1、文件結構接下來我們來看看gazebo_ros_control功能包究竟對這些文件做了什么。需要注意，gazebo_ros_control源碼已經集成到了github帳號ros-simulation下的gazebo_ros_pkgs項目中，而ros_controls賬號下的gazebo_ros_pkgs是舊版本，現在已經不再使用了。該功能包的核心是硬件接口文件src/default_robot_hw_sim.cpp，該文件定義了以下函數，用以實現相應功能：clamp()：區間限定函數，用以規范某些變量的上下限DefaultRobotHWSim::initSim()：初始化插件的各項屬性DefaultRobotHWSim::readSim()：從Gazebo仿真器中讀取模型的信息和狀態DefaultRobotHWSim::writeSim()：將目標值寫入Gazebo仿真器中下面我們分析幾個重點函數。DefaultRobotHWSim::initSim()函數初始化了整個插件，首先處理了URDF文件中transmissions模塊信息，主要是以下方面：

• 定義了機器人的自由度數
• 從transmissions中獲取各個關節接口類型，名稱
• 判斷是否使用PID控制，如果沒有設置PID參數，則視為不使用PID

并對模型進行了以下處理：

• 從gazebo模型中獲取關節名稱，并實例化各關節
• 為各個關節gazebo模型的行程設置上下限

讀取函數readSim()和寫入函數writeSim()，分別實現以下功能：

• 從gazebo仿真器中讀取個關節的當前狀態
• 根據控制器類型將控制量寫入仿真器

2、控制代碼我們看看各類型的控制方法具體是如何實現的

①力控制

力控制十分簡單，直接將目標量寫入了仿真器，其中SetForce()函數是Gazebo仿真器自帶的關節力設置函數。case EFFORT:{ const double effort = e_stop_active_ ? 0 : joint_effort_command_[j]; sim_joints_[j]->SetForce(0, effort);}break;②PID位置控制PID位置控制稍顯復雜，首先計算當前狀態下的位置誤差error，其中對于REVOLUTE(轉動副)類型的關節，還要考慮關節限位。再利用pid_controllers下的computeCommand()方法計算當前誤差下應當施加到關節上的力，并使用區間限定函數clamp()來規范力的上下限。從此處可以看出，gazebo_ros_control插件實際上使用了輸入力的PID位置控制，該方法的原理可見我在古月居發表的《PID控制是個啥？ROS實驗讓你恍然大悟》。最后，利用SetForce()函數將目標量寫入了仿真器。case POSITION_PID:{ double error; switch (joint_types_[j]) { case urdf::Joint::REVOLUTE: angles::shortest_angular_distance_with_limits(joint_position_[j], joint_position_command_[j], joint_lower_limits_[j], joint_upper_limits_[j], error); break; case urdf::Joint::CONTINUOUS: error = angles::shortest_angular_distance(joint_position_[j], joint_position_command_[j]); break; default: error = joint_position_command_[j] - joint_position_[j]; } const double effort_limit = joint_effort_limits_[j]; const double effort = clamp(pid_controllers_[j].computeCommand(error, period), -effort_limit, effort_limit); sim_joints_[j]->SetForce(0, effort);}break;③PID速度控制PID速度控制函數和PID位置控制函數的邏輯完全一致，唯一的區別是誤差error取的是速度誤差。case?VELOCITY_PID: double error; if (e_stop_active_) error = -joint_velocity_[j]; else error = joint_velocity_command_[j] - joint_velocity_[j]; const double effort_limit = joint_effort_limits_[j]; const double effort = clamp(pid_controllers_[j].computeCommand(error, period), -effort_limit, effort_limit); sim_joints_[j]->SetForce(0, effort); break;④非PID的位置控制和速度控制如果不使用PID控制，那么硬件會直接調用Gazebo的SetPosition()和SetVelocity()接口，強行設置關節的位置和速度，而非通過輸入力的方式進行控制。代碼分別位于320行到330行，以及359行到372行。3、答案揭曉根據源碼的分析，我們在Gazebo仿真中的很多“萬年難題”就迎刃而解啦！例如：A 我的模型在仿真時一直抖動，怎么辦？答：在保證模型慣量屬性、關節摩擦、阻尼合理的前提下，調整PID參數。從源碼看到，控制器的PID控制實際上是輸入力的PID控制，模型物理屬性不符合真實情況、PID參數不合理必然導致關節振蕩。這也提醒我們，良好的Gazebo仿真，其前提是真實的物理模型和合理的理論推導。務必不要將其當做純動畫制作軟件！圖2 圖3 由于質量屬性\PID參數不合理，機械臂發生了細微的或鬼畜般的抖動。B PID參數該怎么設置啊？我怎么調都沒用！答：自己努力吧孩子！還是如上一個問題所述，在仿真之前，先進行完整的控制理論推導，而非隨便嘗試。提供兩個小技巧：動態配置插件Dynamic Reconfigure可以方便地動態調整PID參數，如圖。另外尤其要注意一個問題：gazebo_ros_control對于PID中的積分增益i是默認鎖定為0的，要想使用積分控制，需要在yaml文件中打開積分增益的上下限，否則無論怎么調積分增益都沒有用的(坑...)。 # pid增益的正確配置姿勢(如要使用積分控制，必須打開積分增益的上下限，否則默認均為0)joint1_position_controller: type: effort_controllers/JointPositionController joint: joint_1 pid: {p: 100.0, i: 1.0, d: 10.0, ,i_clamp_max: 0.0, i_clamp_max: 1.0}圖4 PID參數動態配置插件Dynamic ReconfigureC 我必須要設置PID參數嗎？如果不設置會怎么樣答：不是必要的，但推薦在yaml中設置PID參數。從源碼中可以看到，gazebo_ros_control插件會自動判斷用戶是否在yaml文件中設置了PID參數。如果沒有，當用戶使用位置控制和速度控制時，就會調用Gazebo默認的位置和速度設置接口。而根據注釋信息可以看到，如果你的Gazebo版本小于9，這樣做就是有壞處的：仿真器不會模擬模型的重力，會導致動力學仿真異常。因此，我們最好還是在yaml文件中設置合理的PID參數。ROS_WARN_ONCE("The default_robot_hw_sim plugin is using the Joint::SetPosition method without preserving the link velocity.");ROS_WARN_ONCE("As a result, gravity will not be simulated correctly for your model.");ROS_WARN_ONCE("Please set gazebo_pid parameters, switch to the VelocityJointInterface or EffortJointInterface, or upgrade to Gazebo 9.");ROS_WARN_ONCE("For details, see https://github.com/ros-simulation/gazebo_ros_pkgs/issues/612");圖5 在gazebo9以前的版本中，一只手由于沒有設置PID參數導致重力異常，懸浮在空中。D gazebo_ros_control插件可以完成計算力矩控制等更加復雜的控制策略嗎？答：需要基于插件的自定義接口自己編寫程序。從源碼中看到，插件所提供的控制策略只有基本的PID控制，其輸入量的計算只考慮了誤差，并沒有考慮任何動力學模型。詳見control_toolbox項目下的src/pid.cpp文件。E 我的并聯機器人模型只能用sdf創建，可以使用gazebo_ros_control進行控制嗎？答：不可以。從源碼看出，控制器類型等相關信息必須從urdf下的transmissions獲取，甚至在注冊關節限位時也使用了urdf類，而并沒有支持sdf格式。不過，由于sdf是Gazebo默認的支持格式，有完整的官方文檔提供，因此根據gazebo_ros_control的邏輯重新創建一個適用于sdf的控制插件其實并不困難。圖6 筆者利用sdf創建的六自由度并聯機器人，使用自定義Gazebo控制插件以上就是我們從源碼中找到的答案，有沒有解決你的一些疑惑呢？如果你還想進一步交流，歡迎登錄古月居網站，到這篇文章下給我留言，用戶名也是小明工坊。微信公眾號留言也可，但我需要拜托小編幫助回復，不能保證時效性。本次分享就到這里啦，期待我們下一次見面~

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的gazebo入门_Gazebo仿真控制中，有哪些你不知道的秘密？的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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