龙芯2k0300 - 走马观碑组Gazebo仿真环境搭建

撙仿 · 昨天 16:42

一、概述

1.1 为什么要仿真

搭建Gazebo仿真环境对于智能车比赛（特别是涉及视觉巡线、强化学习等算法开发）来说，不是可选项，而是最优解。以下是需要搭建仿真环境的核心理由，以及它能解决的实际问题。
1.1.1 硬件不足

问题：你现在没有久久派、摄像头、电机等硬件，但需要写程序、验证算法。
Gazebo的作用：

提供虚拟的小车模型（带摄像头、激光雷达等传感器）；
提供虚拟的赛道环境（可以自定义颜色、形状、材质）；
程序写完后，直接在Gazebo里运行，效果等同于在真车上测试；

结果：硬件还没到，你的巡线算法已经跑通了。硬件一到，只需换底层驱动即可。
1.1.2 缩短调试周期

调试场景真车调试Gazebo仿真修改PID参数烧录→上电→跑一圈→观察→再烧录（5-10分钟/次）改代码→保存→重启仿真（10秒/次）小车撞墙可能损坏硬件（电机、舵机、车架）重置位置，继续调试跑完一整圈需要清场、充电、防止撞人无限制运行，无人值守测试极端情况可能翻车、失控完全安全结论：仿真环境让的调试效率提升30-50倍。
1.1.3 提供可复现的测试环境

问题：真车测试时，光线变化、地面摩擦力、电池电量都会影响结果，今天跑通的代码明天可能就失效。
Gazebo的优势：

每次启动都是完全相同的环境（相同的光照、相同的摩擦力、相同的传感器噪声）;
可以精确控制变量：比如只改变线条颜色，其他不变;
算法性能变化只由代码改动引起，排除了环境干扰；

这对于调参、对比算法优劣至关重要。
1.1.4、支持强化学习训练

强化学习需要数百万次试错，这在真车上完全不可能：
训练需求真车Gazebo仿真试错次数几百次就报废无限次训练速度1倍速可以加速到10-100倍并行训练需要多台真车开多个Gazebo实例复位成本手动搬回起点代码一键复位实例：训练一个简单的巡线RL模型，真车可能需要3个月+损坏5台车，仿真只需要1周+电费。
1.1.5、提前发现算法缺陷

仿真中可以轻松制造"事故场景"：

突然的强光照射（模拟阳光直射摄像头）；
赛道上有污渍（模拟线条部分缺失）；
传感器故障（模拟某个像素坏点）；

这些在真车上很难刻意制造，但在仿真中可以随时开启。提前让你的算法适应这些情况，比赛时就不会翻车。
1.2 环境搭建步骤

走马观碑组Gazebo仿真环境搭建主要包含以下几个步骤：
① 环境准备（ubuntu + ROS2）：这个可以参考《ROS2概述和基于RK3588的环境搭建》；
② 小车建模（URDF）：有关URFD介绍可以参考《ROS2之URDF建模》；
③ 赛道建模（World）；
④ 视觉巡线算法开发。
1.2.1 工程目录简介

我们可以先创建工程目录，创建目录car_ws；

zhengyang@ubuntu:~$ cd /opt/2k0300/loongson_2k300_lib
zhengyang@ubuntu:/opt/2k0300/loongson_2k300_lib$ mkdir -p car_ws/src
zhengyang@ubuntu:/opt/2k0300/loongson_2k300_lib$ cd car_ws/src

复制代码

完整的目录结构大致如下，这个我们后续内容会依次创建：

car_ws/
├── src/
│ ├── car_description/ # 功能包1：机器人URDF模型
│ ├── car_gazebo/ # 功能包2：Gazebo仿真
│ └── car_vision/ # 功能包3：视觉算法

复制代码

在ROS的开发规范中，src/ 下的每个子目录叫功能包（Package），而不是独立项目。它们共同组成一个完整的机器人项目。
功能包职责修改频率car_description小车的物理模型（尺寸、颜色、传感器位置）低（硬件确定后很少改）car_gazebo仿真环境、赛道、启动脚本中（换赛道时需要改）car_vision图像处理、巡线算法高（天天调参）1.2.2 功能包关系

功能包之间的协作关系如下：

启动顺序：
1. car_gazebo 启动仿真世界，生成小车模型
└── 调用 car_description 中的 car.urdf 描述小车长什么样
2. car_vision 订阅摄像头图像
└── 处理图像 → 发布速度指令
3. car_gazebo 中的 Gazebo 接收速度指令
└── 驱动仿真小车运动

复制代码

二、小车建模

创建car_description的Python版本的功能包；

zhengyang@ubuntu:/opt/2k0300/loongson_2k300_lib/car_ws/src$ ros2 pkg create --build-type ament_python car_description

复制代码

运行成功后，终端会显示创建的文件和目录信息。此时， car_description 功能包目录结构将如下所示：

zhengyang@ubuntu:/opt/2k0300/loongson_2k300_lib/car_ws/src$ tree ./car_description/
./car_description/
├── car_description # 核心Python模块目录，用于存放Python代码
│ └── __init__.py
├── package.xml # 功能包的描述文件（含依赖信息）
├── resource # 资源文件夹
│ └── car_description
├── setup.cfg # setuptools 的配置文件
├── setup.py # Python 包的安装脚本
└── test # 测试文件夹

复制代码

2.1 子目录

功能包创建好了，但按照规划我们需要在 car_description 中存放小车的URDF模型文件。这些不是.py文件，放在自动生成的 car_description 子目录下并不合适。
我们可以手动创建多个目录来更好地组织文件：

urdf: 专门存放 .urdf 或 .xacro 模型文件；
launch：保存相关启动文件；
rviz：保存rviz的配置文件；
meshes：放置URDF中引用的模型渲染文件；
config: 存放Gazebo控制器的配置文件。

在终端中执行：

zhengyang@ubuntu:/opt/2k0300/loongson_2k300_lib/car_ws/src$ cd car_description/
zhengyang@ubuntu:/opt/2k0300/loongson_2k300_lib/car_ws/src/car_description$ mkdir urdf config launch rviz meshes

复制代码

我们需要修改setup.py文件，添加配置文件：

import os
from glob import glob
...
data_files=[
('share/ament_index/resource_index/packages',
['resource/' + package_name]),
('share/' + package_name, ['package.xml']),
(os.path.join('share', package_name, 'launch'), glob(os.path.join('launch', '*.launch.py'))),
(os.path.join('share', package_name, 'urdf'), glob(os.path.join('urdf', '*.*'))),
(os.path.join('share', package_name, 'urdf/sensors'), glob(os.path.join('urdf/sensors', '*.*'))),
(os.path.join('share', package_name, 'meshes'), glob(os.path.join('meshes', '*.*'))),
(os.path.join('share', package_name, 'rviz'), glob(os.path.join('rviz', '*.rviz'))),
(os.path.join('share', package_name, 'config'), glob(os.path.join('config', '*.*'))),
],
...

复制代码

2.2 模型文件

接下来就是编写一个完整的 car.xacro 文件，这个模型包含车身、三个轮子、摄像头传感器，并且配置了Gazebo仿真所需的插件;

有关URDF语法可以参考《ROS2之URDF建模》;
有关XACRO语法可以参考《ROS2之Gazebo物理仿真平台》。

首先进入 urdf 目录并创建文件：

zhengyang@ubuntu:/opt/2k0300/loongson_2k300_lib/car_ws/src/car_description$ cd urdf/
zhengyang@ubuntu:/opt/2k0300/loongson_2k300_lib/car_ws/src/car_description/urdf$ vim car.xacro

复制代码

内容如下：
点击查看详情

<?xml version="1.0"?>
<robot name="f_car_model" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro">
<xacro:property name="main_body_len" value="0.11"/>
<xacro:property name="main_body_width" value="0.16"/>
<xacro:property name="main_body_height" value="0.03"/>
<xacro:property name="nose_len" value="0.07"/>
<xacro:property name="nose_width" value="0.06"/>
<xacro:property name="nose_height" value="0.02"/>
<xacro:property name="wheel_diameter" value="0.064"/>
<xacro:property name="wheel_radius" value="0.032"/>
<xacro:property name="wheel_width" value="0.027"/>
<xacro:property name="wheel_track" value="0.155"/>
<xacro:property name="caster_radius" value="0.012"/>
<xacro:property name="caster_offset_x" value="0.08"/>
<xacro:property name="camera_height" value="0.12"/>
<xacro:property name="camera_pitch" value="0.15"/>
<xacro:property name="mass_body" value="0.6"/>
<xacro:property name="mass_wheel" value="0.08"/>
<xacro:property name="mass_caster" value="0.01"/>
<material name="black">
<color rgba="0.1 0.1 0.1 1.0"/>
</material>
<material name="blue">
<color rgba="0.0 0.0 0.6 1.0"/>
</material>
<material name="white">
<color rgba="0.9 0.9 0.9 1.0"/>
</material>
<material name="silver">
<color rgba="0.7 0.7 0.7 1.0"/>
</material>
<xacro:macro name="wheel" params="prefix parent *origin">
<link name="${prefix}_wheel">
<visual>
<geometry>
<cylinder radius="${wheel_radius}" length="${wheel_width}"/>
</geometry>
<material name="black"/>
<origin xyz="0 0 0" rpy="1.5707 0 0"/>
</visual>
<collision>
<geometry>
<cylinder radius="${wheel_radius}" length="${wheel_width}"/>
</geometry>
<origin xyz="0 0 0" rpy="1.5707 0 0"/>
</collision>
<inertial>
<mass value="${mass_wheel}"/>
<inertia ixx="0.0001" ixy="0.0" ixz="0.0" iyy="0.0001" iyz="0.0" izz="0.0001"/>
</inertial>
</link>
<joint name="${prefix}_wheel_joint" type="continuous">
<parent link="${parent}"/>
<child link="${prefix}_wheel"/>
<xacro:insert_block name="origin"/>
</joint>
<gazebo reference="${prefix}_wheel">
<material>Gazebo/Black</material>
<mu1 value="1.2"/>
<mu2 value="1.2"/>
<kp value="10000000.0" />
<kd value="10.0" />
</gazebo>
</xacro:macro>
<link name="base_link">
<visual>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
<geometry>
<mesh filename="package://your_package_name/meshes/f_car_body.stl" scale="1 1 1"/>
<box size="${main_body_len} ${main_body_width} ${main_body_height}"/>
</geometry>
<material name="blue"/>
</visual>
<visual>
<origin xyz="${main_body_len/2 + nose_len/2} 0 0" rpy="0 0 0"/>
<geometry>
<box size="${nose_len} ${nose_width} ${nose_height}"/>
</geometry>
<material name="silver"/>
</visual>
<collision>
<origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
<geometry>
<box size="${main_body_len} ${main_body_width} ${main_body_height}"/>
</geometry>
</collision>
<collision>
<origin xyz="${main_body_len/2 + nose_len/2} 0 0" rpy="0 0 0"/>
<geometry>
<box size="${nose_len} ${nose_width} ${nose_height}"/>
</geometry>
</collision>
<inertial>
<origin xyz="-0.02 0 0" rpy="0 0 0"/>
<mass value="${mass_body}"/>
<inertia ixx="0.003" ixy="0.0" ixz="0.0" iyy="0.005" iyz="0.0" izz="0.006"/>
</inertial>
</link>
<xacro:wheel prefix="left" parent="base_link">
<origin xyz="${-main_body_len/2 + 0.01} ${wheel_track/2} ${-wheel_radius}" rpy="0 0 0"/>
</xacro:wheel>
<xacro:wheel prefix="right" parent="base_link">
<origin xyz="${-main_body_len/2 + 0.01} ${-wheel_track/2} ${-wheel_radius}" rpy="0 0 0"/>
</xacro:wheel>
<link name="caster_wheel">
<visual>
<geometry>
<sphere radius="${caster_radius}"/>
</geometry>
<material name="white"/>
</visual>
<collision>
<geometry>
<sphere radius="${caster_radius}"/>
</geometry>
</collision>
<inertial>
<mass value="${mass_caster}"/>
<inertia ixx="0.00001" ixy="0.0" ixz="0.0" iyy="0.00001" iyz="0.0" izz="0.00001"/>
</inertial>
</link>
<joint name="caster_wheel_joint" type="fixed">
<parent link="base_link"/>
<child link="caster_wheel"/>
<origin xyz="${caster_offset_x} 0 ${-(wheel_radius - caster_radius)}" rpy="0 0 0"/>
</joint>
<gazebo reference="caster_wheel">
<material>Gazebo/White</material>
<mu1 value="0.1"/>
<mu2 value="0.1"/>
</gazebo>
<link name="camera_link">
<visual>
<geometry>
<box size="0.03 0.03 0.03"/>
</geometry>
<material name="black"/>
</visual>
</link>
<joint name="camera_joint" type="fixed">
<parent link="base_link"/>
<child link="camera_link"/>
<origin xyz="${main_body_len/2 + nose_len/2} 0 ${nose_height/2 + 0.05}" rpy="0 ${camera_pitch} 0"/>
</joint>
<gazebo>
<plugin name="differential_drive_controller" filename="libgazebo_ros_diff_drive.so">
<rosDebugLevel>Debug</rosDebugLevel>
<publishWheelTF>false</publishWheelTF>
<robotNamespace>/</robotNamespace>
<publishTf>1</publishTf>
<publishWheelJointState>true</publishWheelJointState>
true</alwaysOn>
<updateRate>100.0</updateRate>
<leftJoint>left_wheel_joint</leftJoint>
<rightJoint>right_wheel_joint</rightJoint>
<wheelSeparation>${wheel_track}</wheelSeparation>
<wheelDiameter>${wheel_diameter}</wheelDiameter>
<broadcastTF>1</broadcastTF>
<wheelTorque>30</wheelTorque>
<wheelAcceleration>1.8</wheelAcceleration>
<commandTopic>cmd_vel</commandTopic>
<odometryFrame>odom</odometryFrame>
<odometryTopic>odom</odometryTopic>
<robotBaseFrame>base_link</robotBaseFrame>
</plugin>
</gazebo>
<gazebo reference="camera_link">
<sensor type="camera" name="camera1">
<update_rate>30.0</update_rate>
<camera name="head">
<horizontal_fov>1.047</horizontal_fov>
<image>
<width>320</width>
<height>240</height>
<format>R8G8B8</format>
</image>
<clip>
<near>0.02</near>
<far>300</far>
</clip>
</camera>
<plugin name="camera_controller" filename="libgazebo_ros_camera.so">
true</alwaysOn>
<updateRate>0.0</updateRate>
<cameraName>camera</cameraName>
<imageTopicName>image_raw</imageTopicName>
<cameraInfoTopicName>camera_info</cameraInfoTopicName>
<frameName>camera_link</frameName>
<hackBaseline>0.07</hackBaseline>
<distortionK1>0.0</distortionK1>
<distortionK2>0.0</distortionK2>
<distortionK3>0.0</distortionK3>
<distortionT1>0.0</distortionT1>
<distortionT2>0.0</distortionT2>
</plugin>
</sensor>
</gazebo>
</robot>

复制代码

这里我们通过通过 nose 和 main_body 的组合来模拟车模前窄后宽的形状，这更符合F车模的真实外观；

长：18cm、宽20cm、高6.5cm；
车轮：直径6.4cm、宽度2.7cm、轮距15.5cm。

2.2.1 车身几何结构

使用了两个来拼接车身；

后部 (main_body)：尺寸0.11m x 0.16m，这是电机和后轮所在的位置，比较宽；
前部 (nose)：尺寸0.07m x 0.06m，这是向前延伸的部分，模拟真实的窄支架；

总长：0.11 + 0.07 = 0.18m。
2.2.2 轮距与轮子

wheel_track 设为0.155m。
轮子坐标通过 ${-main_body_len/2 + 0.01} 计算，确保轮子安装在后底盘的边缘，而不是车身中心。
2.2.3 万向轮位置

万向轮安装在 caster_offset_x (0.08m) 处，这大约在前部支架的中间位置，既保证了支撑稳定性，又不会因为太靠前而在转弯时产生过大的阻力矩。
2.2.4 摄像头高度

为了适应“走马观碑”组别，我将摄像头高度设定为离地约12cm (camera_height)，并增加了一个俯仰角 camera_pitch，这更符合实际比赛中俯视赛道的情况。
当然如果熟悉SolidWorks或Fusion 360可以按照图片画一个精确的3D模型，将其导出为 .stl 或 .dae 文件。在URDF中，把标签换成：

[/code]这样在rviz和Gazebo中看到的就完全是一模一样的车了。
[size=3]2.3 launch文件[/size]
在launch文件夹下创建display.launch.py文件；
[code]from launch import LaunchDescription
from launch.actions import DeclareLaunchArgument
from launch_ros.parameter_descriptions import ParameterValue
from launch_ros.actions import Node
from launch.substitutions import Command, LaunchConfiguration
from ament_index_python.packages import get_package_share_directory
import os
def generate_launch_description():
# xacro 文件路径（注意扩展名是 .xacro）
xacro_path = os.path.join(
get_package_share_directory('car_description'),
'urdf',
'car.xacro' # 关键：改为 .xacro
)
# 声明 model 参数
model_arg = DeclareLaunchArgument(
name='model',
default_value=xacro_path,
description='Absolute path to robot xacro file'
)
# 使用 xacro 命令解析 URDF
robot_description = ParameterValue(
Command(['xacro ', LaunchConfiguration('model')]),
value_type=str
)
return LaunchDescription([
model_arg, # 必须包含这个声明
# 机器人状态发布器
Node(
package='robot_state_publisher',
executable='robot_state_publisher',
output='screen',
parameters=[{'robot_description': robot_description}]
),
# 关节状态发布器 GUI（可手动拖动关节）
Node(
package='joint_state_publisher_gui',
executable='joint_state_publisher_gui',
name='joint_state_publisher_gui'
),
# RViz2 可视化
Node(
package='rviz2',
executable='rviz2',
name='rviz2',
arguments=['-d', os.path.join(get_package_share_directory('car_description'), 'rviz', 'car_display.rviz')],
output='screen'
)
])

复制代码

这个Launch文件主要做三件事：

加载机器人URDF模型（支持xacro格式）；
发布机器人的状态变换（TF）；
在rviz2中可视化机器人。

2.3.1 节点

脚本运行会创建以下几个节点：

joint_state_publisher_gui：发布每个joint（除fixed类型）的状态，可以通过UI界面对joint进行控制；
robot_state_publisher：将机器人各个links、joints之间的关系，通过TF的形式，整理成三维姿态信息发布。
rviz2：在rviz2中可视化机器人；

joint_state_publisher这是一个官方ROS2包，主要功能：

输入：
- 读取URDF中的关节定义；
- 接收用户或程序指定的关节角度；
输出：
- 发布 /joint_states 话题，消息类型为 sensor_msgs/msg/JointState；
- 包含所有关节的名称、位置、速度、力等信息。

2.3.2 数据流与节点关系

数据流与节点关系:

用户通过滑动条/GUI或程序 → joint_state_publisher_gui
↓ 发布/joint_states话题
robot_state_publisher
↓ 计算并发布TF变换
rviz2 和其他节点
↓ 接收TF并可视化

复制代码

2.4 car_display.rviz

创建rviz配置文件，避免手动设置rviz，在rviz目录下新建car_display.rviz文件；

Panels:
- Class: rviz_common/Displays
Name: Displays
- Class: rviz_common/Views
Name: Views
Visualization Manager:
Class: ""
Displays:
- Class: rviz_default_plugins/Grid
Name: Grid
Value: true
- Alpha: 0.8
Class: rviz_default_plugins/RobotModel
Description Source: Topic
Description Topic:
Value: /robot_description
Enabled: true
Name: RobotModel
Value: true
- Class: rviz_default_plugins/TF
Name: TF
Value: true
Global Options:
Fixed Frame: base_link
Frame Rate: 30
Name: root
Tools:
- Class: rviz_default_plugins/MoveCamera
Value: true
Views:
Current:
Class: rviz_default_plugins/Orbit
Distance: 1.7
Name: Current View
Pitch: 0.33
Value: Orbit (rviz)
Yaw: 5.5
Window Geometry:
Height: 800
Width: 1200

复制代码

2.5 编译运行

2.4.1 编译

在 car_ws 目录下编译并检查：
[code]zhengyang@ubuntu:~$ cd /opt/2k0300/loongson_2k300_lib/car_wszhengyang@ubuntu:/opt/2k0300/loongson_2k300_lib/car_ws$ colcon build --paths src/car_description.....Finished

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