【第2.1话：基础知识】基于Ubuntu的ROS环境搭建与车辆可视化编程实践：初学者指南及RVIZ应用（含作业及代码）

基于Ubuntu的ROS环境搭建与车辆可视化编程实践：初学者指南及RVIZ应用

作为机器人操作系统（ROS）的初学者，本指南将帮助您逐步在Ubuntu系统上搭建ROS环境，实现车辆模型的可视化编程，并应用RVIZ工具进行实时模拟。整个过程基于官方ROS文档，确保真实可靠。ROS推荐使用Ubuntu LTS版本（如20.04对应ROS Noetic，18.04对应ROS Melodic），本指南以ROS Noetic为例。如果您尚未安装Ubuntu，请先完成安装（建议从官网下载ISO镜像）。

步骤1: 准备Ubuntu系统

• 确保系统更新：打开终端（Ctrl+Alt+T），运行以下命令更新软件包列表和系统：

  sudo apt update
  sudo apt upgrade
  

• 设置时区和语言：确保系统语言为英文（ROS工具对英文支持更好），可通过系统设置调整。

步骤2: 安装ROS

ROS安装需要添加官方仓库并安装核心包。本步骤针对ROS Noetic（Ubuntu 20.04）。

• 添加ROS仓库：在终端中执行：

  sudo sh -c 'echo "deb http://packages.ros.org/ros/ubuntu $(lsb_release -sc) main" > /etc/apt/sources.list.d/ros-latest.list'
  

• 添加密钥：

  sudo apt install curl
  curl -s https://raw.githubusercontent.com/ros/rosdistro/master/ros.asc | sudo apt-key add -
  

• 安装ROS核心包：更新并安装完整版ROS（包括RVIZ和仿真工具）：

  sudo apt update
  sudo apt install ros-noetic-desktop-full
  

• 初始化rosdep：ROS依赖管理工具：

  sudo rosdep init
  rosdep update
  

• 设置环境变量：每次启动终端时自动加载ROS环境：

  echo "source /opt/ros/noetic/setup.bash" >> ~/.bashrc
  source ~/.bashrc
  

• 验证安装：运行roscore启动ROS核心，如果无错误，表示安装成功（按Ctrl+C停止）。

步骤3: 创建车辆模型

车辆模型使用URDF（Unified Robot Description Format）文件定义，包含几何形状、关节等。我们将创建一个简单车辆。

• 安装依赖工具：

  sudo apt install ros-noetic-urdf-tutorial ros-noetic-rviz
  

• 创建ROS工作空间：

  mkdir -p ~/catkin_ws/src
  cd ~/catkin_ws/
  catkin_make
  source devel/setup.bash
  

• 编写URDF文件：在~/catkin_ws/src中创建包：

  cd src
  catkin_create_pkg my_vehicle roscpp rviz urdf
  cd my_vehicle
  mkdir urdf
  

  编辑URDF文件urdf/vehicle.urdf（使用文本编辑器如nano）：

  <robot name="simple_vehicle">
    <link name="base_link">
      <visual>
        <geometry>
          <box size="1.0 0.5 0.2"/>  <!-- 车辆底盘 -->
        </geometry>
        <material name="blue">
          <color rgba="0 0 1 1"/>  <!-- 蓝色 -->
        </material>
      </visual>
    </link>
    <link name="wheel1">
      <visual>
        <geometry>
          <cylinder length="0.1" radius="0.2"/>  <!-- 车轮 -->
        </geometry>
        <material name="black">
          <color rgba="0 0 0 1"/>
        </material>
      </visual>
    </link>
    <joint name="wheel1_joint" type="continuous">
      <parent link="base_link"/>
      <child link="wheel1"/>
      <origin xyz="0.4 0.3 0.0"/>  <!-- 位置 -->
    </joint>
    <!-- 添加更多车轮（wheel2, wheel3, wheel4）类似 -->
  </robot>
  

• 编译包：

  cd ~/catkin_ws
  catkin_make
  

步骤4: 使用RVIZ可视化车辆

RVIZ是ROS的3D可视化工具，用于实时显示机器人模型和传感器数据。

• 启动RVIZ：

  roscore &  # 后台运行ROS核心
  rosrun rviz rviz
  

• 加载车辆模型：
  • 在RVIZ窗口中，点击"Add"按钮。
  • 选择"RobotModel"并点击"OK"。
  • 在"Global Options"中，设置"Fixed Frame"为"base_link"。
• 显示车辆：在终端发布URDF模型：

  roslaunch my_vehicle display.launch model:=urdf/vehicle.urdf
  

  现在，RVIZ应显示车辆模型（底盘和车轮）。您可以通过拖动视图调整角度。
• 添加运动模拟（可选）：创建Python脚本控制车辆运动。在~/catkin_ws/src/my_vehicle/src中创建move_vehicle.py：

  #!/usr/bin/env python3
  import rospy
  from geometry_msgs.msg import Twist
  
  def move():
      rospy.init_node('vehicle_controller')
      pub = rospy.Publisher('/cmd_vel', Twist, queue_size=10)
      rate = rospy.Rate(10)  # 10Hz
      while not rospy.is_shutdown():
          cmd = Twist()
          cmd.linear.x = 0.5  # 前进速度0.5 m/s
          cmd.angular.z = 0.1  # 转向角速度
          pub.publish(cmd)
          rate.sleep()
  
  if __name__ == '__main__':
      try:
          move()
      except rospy.ROSInterruptException:
          pass
  

  运行脚本：

  chmod +x src/my_vehicle/src/move_vehicle.py  # 添加执行权限
  rosrun my_vehicle move_vehicle.py
  

  在RVIZ中，车辆将模拟移动（需确保URDF定义了运动关节）。

常见问题与进阶

• 问题排查：
  • 如果RVIZ不显示模型，检查URDF语法错误（使用check_urdf工具）。
  • 安装失败？确保网络连接，并重试sudo apt update。
• 进阶应用：
  • 集成传感器：添加激光雷达或摄像头模型到URDF，并在RVIZ显示。
  • 仿真环境：结合Gazebo进行物理仿真（安装ros-noetic-gazebo-ros）。
  • 数学基础：车辆运动学涉及速度关系，例如车轮线速度$v$与角速度$\omega$的关系：$v=\omega r$，其中$r$是车轮半径。

通过本指南，您已掌握ROS环境搭建、车辆模型创建和RVIZ可视化。实践是学习的关键—尝试修改URDF文件或添加新功能。ROS社区（如ROS Wiki）提供丰富资源，祝您编程愉快！

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