2. 机器人模型与TF树：URDF模型构建、xacro优化、TF静态变换与动态变换、robot_state_publisher配置

好，我们正式开始第二讲。上一章我们把Nav2的宏观架构理清了，但有个问题一直悬着：机器人到底长什么样？它的轮子、激光雷达、IMU之间是什么位置关系？

说白了，导航系统要干活，首先得知道自己的“身体”结构。URDF就是干这个的——它用XML描述机器人的连杆（link）和关节（joint）。而TF树，则是这些部件在空间中的实时坐标变换关系。

我个人习惯，每次搭建新机器人，第一件事就是画URDF。不画清楚，后面导航肯定出幺蛾子。

2.1 URDF模型构建：从零搭一个差速底盘

我们先写一个最简单的两轮差速底盘。别怕，代码不长，但每个字段都有用。

<robot name="my_robot">
  <!-- 底盘 -->
  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry>
        <box size="0.4 0.3 0.1"/>
      </geometry>
      <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
      <material name="blue">
        <color rgba="0 0 1 1"/>
      </material>
    </visual>
    <collision>
      <geometry>
        <box size="0.4 0.3 0.1"/>
      </geometry>
    </collision>
    <inertial>
      <mass value="2.0"/>
      <inertia ixx="0.01" ixy="0" ixz="0" iyy="0.01" iyz="0" izz="0.01"/>
    </inertial>
  </link>

  <!-- 左轮 -->
  <link name="left_wheel">
    <visual>
      <geometry>
        <cylinder radius="0.05" length="0.04"/>
      </geometry>
      <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
      <material name="black"/>
    </visual>
  </link>

  <joint name="left_wheel_joint" type="continuous">
    <parent link="base_link"/>
    <child link="left_wheel"/>
    <origin xyz="-0.15 0.12 -0.05" rpy="0 0 0"/>
    <axis xyz="0 1 0"/>
  </joint>
</robot>

嗯，这里要注意几个坑：

• collision 和 visual 可以不一样。我做过一个项目，为了避障安全，把碰撞模型故意放大了一圈。
• inertial 必须写，否则Gazebo会报错。惯性矩阵不会算？用inertia_calculator.py工具生成。
• joint type：轮子用continuous（连续旋转），激光雷达支架用fixed（固定）。

2.2 xacro优化：别写重复代码

URDF写多了你会发现，左右轮子除了名字和位置，其他一模一样。复制粘贴？太low了。xacro就是干这个的——它像C语言的宏，帮你参数化、模块化。

<?xml version="1.0"?>
<robot xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro" name="my_robot">
  <xacro:property name="wheel_radius" value="0.05"/>
  <xacro:property name="wheel_length" value="0.04"/>
  <xacro:property name="base_width" value="0.3"/>

  <xacro:macro name="wheel" params="name side">
    <link name="${name}_wheel">
      <visual>
        <geometry>
          <cylinder radius="${wheel_radius}" length="${wheel_length}"/>
        </geometry>
      </visual>
    </link>
    <joint name="${name}_wheel_joint" type="continuous">
      <parent link="base_link"/>
      <child link="${name}_wheel"/>
      <origin xyz="-0.15 ${side * base_width/2} -0.05" rpy="0 0 0"/>
      <axis xyz="0 1 0"/>
    </joint>
  </xacro:macro>

  <xacro:wheel name="left" side="-1"/>
  <xacro:wheel name="right" side="1"/>
</robot>

看到没？${side * base_width/2} 自动算出左右轮的位置。我曾经维护过一个6轮机器人，用xacro后代码量从800行缩到150行。你想想看，少写多少bug？

2.3 TF树：静态变换与动态变换

URDF定义好了，但导航系统怎么知道激光雷达装在底盘前方0.2米处？靠TF。

TF树本质上是一棵坐标系变换树。每个节点是一个坐标系（frame），每条边是一个变换（transform）。

TF有两种：

• 静态变换（static_transform_publisher）：比如激光雷达相对于底盘的安装位置，固定不变。发布一次，永不过期。
• 动态变换（dynamic_transform）：比如轮子相对于底盘的旋转，每时每刻都在变。由joint_state_publisher或里程计节点发布。

2.4 robot_state_publisher配置：让URDF活起来

URDF写好了，TF树也懂了，怎么把它们跑起来？robot_state_publisher就是那个桥梁。

它读取URDF，监听关节状态（joint_states），然后自动发布所有link之间的TF变换。

# 启动 robot_state_publisher
ros2 run robot_state_publisher robot_state_publisher --ros-args -p robot_description:="$(cat robot.urdf)"

但更常见的做法是写在launch文件里：

from launch import LaunchDescription
from launch_ros.actions import Node
from launch.substitutions import Command
import os

def generate_launch_description():
    urdf_path = os.path.join(
        get_package_share_directory('my_robot_description'),
        'urdf',
        'robot.xacro'
    )

    return LaunchDescription([
        Node(
            package='robot_state_publisher',
            executable='robot_state_publisher',
            parameters=[{
                'robot_description': Command(['xacro ', urdf_path])
            }]
        ),
        Node(
            package='joint_state_publisher_gui',
            executable='joint_state_publisher_gui'
        )
    ])

这里有个细节：Command(['xacro ', urdf_path]) 会在启动时自动把xacro转成URDF。省去了手动转换的步骤。

2.5 验证TF树：用工具说话

配置完了，怎么知道对不对？别靠猜，用工具：

工具	命令	作用
tf2_monitor	ros2 run tf2_ros tf2_monitor	查看所有frame的发布频率、延迟
tf2_echo	ros2 run tf2_ros tf2_echo base_link laser_frame	查看两个frame之间的实时变换
view_frames	ros2 run tf2_tools view_frames	生成TF树的PDF图
rviz2	rviz2 -d display.rviz	可视化机器人模型和TF坐标轴

2.6 本章小结

这一章我们干了三件事：

• 用URDF搭了一个差速底盘模型，区分了visual、collision、inertial的作用。
• 用xacro把重复代码抽象成宏，参数化轮子半径和底盘宽度。
• 理解了TF树的静态变换和动态变换，配置了robot_state_publisher。