第3章 URDF建模实战：两轮差速底盘 + 传感器 + xacro

这一章咱们直接动手。前面两章讲了 URDF 的标签和语法，说实话，光看理论容易犯困。我个人习惯是边写模型边理解，所以这一章我们拿一个真实的两轮差速底盘开刀，加上激光雷达和摄像头，最后用 xacro 把模型收拾得干干净净。

第3章 建模知识体系 两轮差速底盘 左轮 / 右轮 (连续) 传感器: 激光雷达+摄像头 xacro 参数化优化 最终输出: 可配置的机器人模型

3.1 底盘结构设计

两轮差速底盘，说白了就是两个主动轮 + 一个或两个万向轮。我最早做机器人时，以为底盘越复杂越好，后来发现差速驱动是最皮实、最直观的方案。你想想看，控制左右轮速度差就能转弯，连 PID 都省了一半力气。

我们先定义底盘主体（base_link），然后挂两个驱动轮（left_wheel_link, right_wheel_link），再加一个后部支撑轮（caster_link）。

核心思路： 所有轮子都通过 <joint> 连接到 base_link，驱动轮用 continuous 类型（可无限旋转），支撑轮用 fixed 或 continuous 都行，但一般用 fixed 加一个虚拟旋转。 
<!-- 底盘主体 -->
<link name="base_link">
  <visual>
    <geometry><box size="0.4 0.3 0.12"/></geometry>
    <material name="blue"><color rgba="0.2 0.4 0.8 1.0"/></material>
  </visual>
  <collision>
    <geometry><box size="0.4 0.3 0.12"/></geometry>
  </collision>
</link>

嗯，这里要注意：碰撞模型尽量和视觉模型一致，否则 Gazebo 或者 MoveIt 会“撞空气”。我遇到过好几次，视觉上看着好好的，一仿真轮子直接陷到地里……后来发现碰撞 box 比视觉小了一圈。

3.2 驱动轮与支撑轮

左右轮分别偏移 y 轴 ±0.2 m，使用 continuous 关节。支撑轮放在后方，用 fixed 关节，但为了滚动效果，可以加一个虚拟旋转关节——不过初学者先固定住也行。

<joint name="left_wheel_joint" type="continuous">
  <parent link="base_link"/>
  <child link="left_wheel_link"/>
  <origin xyz="-0.1 0.22 -0.06" rpy="0 0 0"/>
  <axis xyz="0 1 0"/>
</joint>

<link name="left_wheel_link">
  <visual>
    <geometry><cylinder radius="0.05" length="0.04"/></geometry>
    <material name="black"/>
  </visual>
</link>

右轮类似，把 y 改成 -0.22 就行。支撑轮我一般用一个球体，简单省事。

我个人习惯把轮子的半径和宽度定义成常量，后面用 xacro 统一改。比如半径 0.05 m，宽度 0.04 m，这样调参数时不用满文件找。

3.3 添加激光雷达

激光雷达我习惯放在底盘前上方，这样视野好。用固定关节把它固定在 base_link 上，z 轴抬高 0.15 m，x 轴前移 0.05 m。

<link name="laser_link">
  <visual>
    <geometry><cylinder radius="0.03" length="0.04"/></geometry>
    <material name="red"/>
  </visual>
</link>

<joint name="laser_joint" type="fixed">
  <parent link="base_link"/>
  <child link="laser_link"/>
  <origin xyz="0.12 0.0 0.15" rpy="0 0 0"/>
</joint>

你可能会问：为什么不用旋转关节？因为激光雷达一般自己带旋转，我们只提供固定安装座就行。在 MoveIt 里，它就是一个感知数据源，不需要运动学。

3.4 添加摄像头

摄像头我习惯装在底盘前部，稍微俯视地面。用 fixed 关节，加一个俯仰角 pitch 约 0.2 rad（大概 11°）。

<link name="camera_link">
  <visual>
    <geometry><box size="0.03 0.05 0.02"/></geometry>
    <material name="dark_gray"/>
  </visual>
</link>

<joint name="camera_joint" type="fixed">
  <parent link="base_link"/>
  <child link="camera_link"/>
  <origin xyz="0.18 0.0 0.08" rpy="0 0.2 0"/>
</joint>
我曾经把摄像头装在底盘正中间，结果被轮子挡住一半视野。后来才意识到，摄像头一定要尽量靠前、靠上，避免车体自身遮挡。尤其是差速底盘转弯时，车头会摆动，遮挡更明显。

3.5 用 xacro 优化模型

写到这里，你会发现很多数字重复出现。比如轮子半径、底盘尺寸、关节偏移。如果每个文件都手写，改一个参数得改七八个地方。xacro 就是干这个的。

我们把常用参数定义成 xacro 属性：

<?xml version="1.0"?>
<robot name="diff_drive_robot" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro">
  <xacro:property name="wheel_radius" value="0.05"/>
  <xacro:property name="wheel_width" value="0.04"/>
  <xacro:property name="base_length" value="0.4"/>
  <xacro:property name="base_width" value="0.3"/>
  <xacro:property name="base_height" value="0.12"/>

  <!-- 然后所有 link/joint 里用 ${wheel_radius} 代替 -->
  <link name="left_wheel_link">
    <visual>
      <geometry><cylinder radius="${wheel_radius}" length="${wheel_width}"/></geometry>
    </visual>
  </link>
</robot>

这样改起来就舒服多了。我一般还会把传感器安装位置也参数化，比如 laser_z_offset、camera_pitch，方便不同车型复用。

xacro 宏（macro） 是更高级的用法。比如你可以写一个“轮子宏”，传入半径、宽度、颜色，自动生成 link 和 joint。我团队里现在所有机器人模型都用宏，一个底盘模型从 200 行缩到 40 行。

3.6 完整模型结构一览

部件link 名称关节类型父 link备注
底盘主体base_link——根 link
左驱动轮left_wheel_linkcontinuousbase_link绕 y 轴旋转
右驱动轮right_wheel_linkcontinuousbase_link绕 y 轴旋转
支撑轮caster_linkfixedbase_link球体，被动
激光雷达laser_linkfixedbase_link前上方
摄像头camera_linkfixedbase_link前部，俯仰角 0.2 rad

有了这个表格，你基本可以照着搭积木。我个人建议先写纯 URDF 验证每个关节，再迁移到 xacro。别一上来就上宏，容易 debug 到怀疑人生。

如果你用 VS Code，可以装 URDF 预览插件，边写边看。我经常开着 rviz 实时刷新，比肉眼检查快多了。

最后，把整个模型保存为 diff_drive.xacro，用 roslaunch urdf_tutorial display.launch model:=diff_drive.xacro 就能看到。嗯，看到轮子转起来的那一刻，还是挺有成就感的。

← 上一章 📖 返回目录 下一章 →