龙芯2k0300 - 走马观碑组Gazebo仿真环境搭建

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

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：

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

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

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。

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

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

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

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。

我们可以手动创建两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

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', '*.*'))),
    ],

    ...

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、四个轮子、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

内容如下：

<?xml version="1.0"?>
<robot name="f_car_model" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro">

  <!-- ==================== 参数定义 ==================== -->
  <!-- 车身参数（F车模实际尺寸，单位：米） -->
  <xacro:property name="body_length" value="0.28"/>
  <xacro:property name="body_width" value="0.16"/>
  <xacro:property name="body_height" value="0.05"/>
  
  <!-- 轮子参数 -->
  <xacro:property name="wheel_radius" value="0.032"/>
  <xacro:property name="wheel_width" value="0.018"/>
  <xacro:property name="wheel_base" value="0.18"/>    <!-- 后轮到车尾距离 -->
  
  <!-- 万向轮参数 -->
  <xacro:property name="caster_radius" value="0.015"/>
  <xacro:property name="caster_width" value="0.012"/>
  <xacro:property name="caster_offset_x" value="0.12"/>  <!-- 万向轮前伸距离 -->
  <xacro:property name="caster_offset_z" value="-0.025"/> <!-- 万向轮下沉高度 -->
  
  <!-- 轮距（左右后轮中心距离） -->
  <xacro:property name="wheel_track" value="0.12"/>

  <!-- 摄像头参数 -->
  <xacro:property name="camera_x" value="0.10"/>
  <xacro:property name="camera_y" value="0.0"/>
  <xacro:property name="camera_z" value="0.06"/>
  <xacro:property name="camera_roll" value="0.0"/>
  <xacro:property name="camera_pitch" value="0.0"/>
  <xacro:property name="camera_yaw" value="0.0"/>

  <!-- ==================== 材质定义 ==================== -->
  <material name="blue">
    <color rgba="0.0 0.0 0.8 1.0"/>
  </material>
  
  <material name="black">
    <color rgba="0.0 0.0 0.0 1.0"/>
  </material>
  
  <material name="red">
    <color rgba="0.8 0.0 0.0 1.0"/>
  </material>

  <material name="gray">
    <color rgba="0.5 0.5 0.5 1.0"/>
  </material>

  <material name="silver">
    <color rgba="0.75 0.75 0.75 1.0"/>
  </material>

  <!-- ==================== 底盘 base_link ==================== -->
  <link name="base_link">
    <visual>
      <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
      <geometry>
        <box size="${body_length} ${body_width} ${body_height}"/>
      </geometry>
      <material name="blue"/>
    </visual>
    <collision>
      <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
      <geometry>
        <box size="${body_length} ${body_width} ${body_height}"/>
      </geometry>
    </collision>
    <inertial>
      <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
      <mass value="0.45"/>
      <inertia ixx="0.001" ixy="0" ixz="0" iyy="0.001" iyz="0" izz="0.001"/>
    </inertial>
  </link>

  <!-- ==================== 左后轮（驱动轮） ==================== -->
  <joint name="left_rear_wheel_joint" type="continuous">
    <origin xyz="-${wheel_base} ${wheel_track/2} -${wheel_radius}" rpy="0 0 0"/>
    <parent link="base_link"/>
    <child link="left_rear_wheel"/>
    <axis xyz="0 1 0"/>
  </joint>
  
  <link name="left_rear_wheel">
    <visual>
      <origin xyz="0 0 0" rpy="1.5708 0 0"/>
      <geometry>
        <cylinder radius="${wheel_radius}" length="${wheel_width}"/>
      </geometry>
      <material name="black"/>
    </visual>
    <collision>
      <origin xyz="0 0 0" rpy="1.5708 0 0"/>
      <geometry>
        <cylinder radius="${wheel_radius}" length="${wheel_width}"/>
      </geometry>
    </collision>
    <inertial>
      <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
      <mass value="0.04"/>
      <inertia ixx="0.00008" ixy="0" ixz="0" iyy="0.00008" iyz="0" izz="0.00008"/>
    </inertial>
  </link>

  <!-- ==================== 右后轮（驱动轮） ==================== -->
  <joint name="right_rear_wheel_joint" type="continuous">
    <origin xyz="-${wheel_base} -${wheel_track/2} -${wheel_radius}" rpy="0 0 0"/>
    <parent link="base_link"/>
    <child link="right_rear_wheel"/>
    <axis xyz="0 1 0"/>
  </joint>
  
  <link name="right_rear_wheel">
    <visual>
      <origin xyz="0 0 0" rpy="1.5708 0 0"/>
      <geometry>
        <cylinder radius="${wheel_radius}" length="${wheel_width}"/>
      </geometry>
      <material name="black"/>
    </visual>
    <collision>
      <origin xyz="0 0 0" rpy="1.5708 0 0"/>
      <geometry>
        <cylinder radius="${wheel_radius}" length="${wheel_width}"/>
      </geometry>
    </collision>
    <inertial>
      <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
      <mass value="0.04"/>
      <inertia ixx="0.00008" ixy="0" ixz="0" iyy="0.00008" iyz="0" izz="0.00008"/>
    </inertial>
  </link>

  <!-- ==================== 前万向轮（从动轮） ==================== -->
  <joint name="caster_wheel_joint" type="continuous">
    <origin xyz="${caster_offset_x} 0 ${caster_offset_z}" rpy="0 0 0"/>
    <parent link="base_link"/>
    <child link="caster_wheel"/>
    <axis xyz="1 0 0"/>  <!-- 万向轮绕X轴旋转 -->
  </joint>
  
  <link name="caster_wheel">
    <visual>
      <origin xyz="0 0 0" rpy="1.5708 0 0"/>
      <geometry>
        <sphere radius="${caster_radius}"/>
      </geometry>
      <material name="silver"/>
    </visual>
    <collision>
      <origin xyz="0 0 0" rpy="1.5708 0 0"/>
      <geometry>
        <sphere radius="${caster_radius}"/>
      </geometry>
    </collision>
    <inertial>
      <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
      <mass value="0.01"/>
      <inertia ixx="0.00001" ixy="0" ixz="0" iyy="0.00001" iyz="0" izz="0.00001"/>
    </inertial>
  </link>

  <!-- ==================== 摄像头支架 ==================== -->
  <joint name="camera_mount_joint" type="fixed">
    <origin xyz="${camera_x} ${camera_y} ${camera_z}" rpy="${camera_roll} ${camera_pitch} ${camera_yaw}"/>
    <parent link="base_link"/>
    <child link="camera_mount"/>
  </joint>
  
  <link name="camera_mount">
    <visual>
      <origin xyz="0 0 0" rpy="0 0 0"/>
      <geometry>
        <box size="0.04 0.04 0.02"/>
      </geometry>
      <material name="red"/>
    </visual>
  </link>

  <!-- ==================== 摄像头传感器 ==================== -->
  <joint name="camera_joint" type="fixed">
    <origin xyz="0 0 0.015" rpy="0 0 0"/>
    <parent link="camera_mount"/>
    <child link="camera_link"/>
  </joint>
  
  <link name="camera_link"/>

  <!-- ==================== Gazebo 插件配置 ==================== -->
  
  <!-- 摄像头插件（160x128 @ 60fps） -->
  <gazebo reference="camera_link">
    <sensor type="camera" name="camera">
      <update_rate>60.0</update_rate>
      <camera name="camera">
        <horizontal_fov>1.0472</horizontal_fov>
        <td>
          <width>160</width>
          <height>128</height>
          <format>R8G8B8</format>
        </td>
        <clip>
          <near>0.05</near>
          <far>10.0</far>
        </clip>
        <noise>
          <type>gaussian</type>
          <mean>0.0</mean>
          <stddev>0.007</stddev>
        </noise>
      </camera>
      <plugin name="camera_driver" filename="libgazebo_ros_camera.so">
        <robotNamespace>/</robotNamespace>
        <topicName>camera/image_raw</topicName>
        <frameName>camera_link</frameName>
        <hackBaseline>0.07</hackBaseline>
      </plugin>
    </sensor>
  </gazebo>

  <!-- 差速驱动插件（适配 F 车模三轮结构） -->
  <gazebo>
    <plugin name="diff_drive_controller" filename="libgazebo_ros_diff_drive.so">
      <leftJoint>left_rear_wheel_joint</leftJoint>
      <rightJoint>right_rear_wheel_joint</rightJoint>
      <wheelSeparation>${wheel_track}</wheelSeparation>
      <wheelDiameter>${wheel_radius * 2}</wheelDiameter>
      <torque>0.3</torque>
      <commandTopic>cmd_vel</commandTopic>
      <odometryTopic>odom</odometryTopic>
      <odometryFrame>odom</odometryFrame>
      <robotBaseFrame>base_link</robotBaseFrame>
      <publishOdomTF>true</publishOdomTF>
      <publishWheelTF>false</publishWheelTF>
      <publishWheelJointState>true</publishWheelJointState>
    </plugin>
  </gazebo>

</robot>

文件内容说明：

2.3 launch文件

在launch文件夹下创建display.launch.py文件；

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'
        )
    ])

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

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

2.5 编译运行

2.4.1 编译

在 car_ws 目录下编译并检查：

zhengyang@ubuntu:~$ cd /opt/2k0300/loongson_2k300_lib/car_ws

zhengyang@ubuntu:/opt/2k0300/loongson_2k300_lib/car_ws$ colcon build --paths src/car_description
.....
Finished <<< car_description [0.92s]

zhengyang@ubuntu:/opt/2k0300/loongson_2k300_lib/car_ws$ source install/setup.sh

2.4.2 运行

启动终端，运行如下命令；

ros2 launch car_description display.launch.py

可以看到rviz窗口打开，并且显示了小车模型（蓝色车身、黑色轮子、红色摄像头支架）；

三、赛道建模

四、视觉巡线算法