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【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）

news 2025/8/11 12:53:49

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 Twistdef move():rospy.init_node('vehicle_controller')pub = rospy.Publisher('/cmd_vel', Twist, queue_size=10)rate = rospy.Rate(10)  # 10Hzwhile not rospy.is_shutdown():cmd = Twist()cmd.linear.x = 0.5  # 前进速度0.5 m/scmd.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 $ω\omega$ 的关系： $\omega r$ ，其中 $r$ 是车轮半径。