第 6 章 Gazebo 仿真入门

学习目标

• 理解 Gazebo 是什么、能仿真什么
• 明白 SDF/URDF、物理引擎、传感器仿真的基本概念
• 安装 Gazebo Harmonic 并启动一个空世界
• 通过 ros_gz 桥接观察 ROS 与仿真之间的数据流动

1. Gazebo 是什么

Gazebo 是一个机器人仿真器：在虚拟世界里模拟机器人、环境和物理规律。与 turtlesim 这种“示意图”不同，Gazebo 会认真计算：

• 物理引擎：重力、碰撞、摩擦力，机器人会真实地倒下、被撞开
• 传感器仿真：激光雷达、相机、IMU 可以输出接近真实的数据
• 机器人模型：从 URDF/SDF 描述的关节、连杆构成，关节可以驱动

在真机测试之前先在 Gazebo 里验证，成本低、零风险，是机器人开发的标配流程。

ROS 2 Jazzy 官方配套的是 Gazebo Harmonic（新版 Gazebo，旧版叫 Gazebo Classic，两者不兼容，本教程全部使用 Harmonic）。

2. 核心概念

概念	说明
世界（World）	仿真的整个场景，用 SDF 文件描述：地面、光照、物体、模型
模型（Model）	世界里的物体，可以是机器人、墙、桌子
SDF	描述场景和模型的 XML 格式，Gazebo 的原生格式
URDF	描述机器人结构的 XML 格式（连杆/关节），Gazebo 也能导入
实体（Entity）	世界中的每个物体（模型、灯光、传感器……）
插件/系统（System）	让模型“活”起来的功能模块，如驱动插件、传感器插件
仿真时间	仿真器自己的时钟，与真实时间不同步，由 /clock 话题发布

Gazebo 与 ROS 的关系

Gazebo 本身不依赖 ROS，两者通过 ros_gz 桥接连接：

┌───────────┐   话题/服务    ┌───────────┐
│  ROS 2    │◄──────────────►│  Gazebo   │
│  节点们    │   ros_gz_bridge │  仿真世界  │
└───────────┘                └───────────┘

例如：

• 你的 ROS 节点向 /cmd_vel 发布速度 → 桥接转发 → Gazebo 里的机器人前进
• Gazebo 里传感器生成激光数据 → 桥接转发 → ROS 里 /scan 话题收到数据

3. 安装 Gazebo Harmonic

在容器里安装（约 1 GB，耐心等待）：

sudo apt update
sudo apt install -y ros-jazzy-ros-gz ros-jazzy-ros-gz-sim-demos

说明：

• ros-jazzy-ros-gz：ros_gz 元包，包含桥接（ros_gz_bridge）、仿真启动器（ros_gz_sim）和 Gazebo Harmonic 本体
• ros-jazzy-ros-gz-sim-demos：官方演示，下一章会用

验证安装：

ros2 pkg list | grep ros_gz

4. 启动空世界

ros2 launch ros_gz_sim gz_sim.launch.py gz_args:=empty.sdf

这条命令同时做了两件事：启动 Gazebo（空世界）和启动桥接所需的 ROS 节点。桌面上会出现 Gazebo 窗口，显示一个空荡荡的世界（淡蓝色背景）。

如果窗口黑屏或渲染异常，确认容器启动时带了 LIBGL_ALWAYS_SOFTWARE=1（见第 0 章）。窗口里的世界默认是暂停状态，点窗口底部中央的播放按钮开始仿真。

新开一个终端，查看现在有哪些话题：

docker exec -it ros2_learning bash
source /opt/ros/jazzy/setup.bash
ros2 topic list

你会看到 /clock、/world/empty/dynamic_pose/info 等话题。其中：

• /clock：仿真时钟。ros2 topic echo /clock 可以看到 clock.sec 不断增长
• /world/empty/...：世界状态信息，例如所有实体的位姿

查看节点列表，可以看到 gz_server、gz_client 等 ros_gz 启动的节点：

ros2 node list

5. 往世界里放东西

Gazebo 自带一些模型。创建自己的世界文件 ~/my_world.sdf：

<?xml version="1.0"?>
<sdf version="1.11">
  <world name="my_world">
    <include>
      <uri>model://sun</uri>
    </include>
    <include>
      <uri>model://ground_plane</uri>
    </include>
  </world>
</sdf>

启动这个世界（首次会联网下载模型，耐心等待）：

cd ~
ros2 launch ros_gz_sim gz_sim.launch.py gz_args:=-r\ my_world.sdf

-r 表示启动后立刻运行（不暂停）。这次世界里有了地面和阳光，接下来就可以往里面放机器人了——这正是下一章的内容。

6. 无头模式（可选）

如果只是想跑仿真不想看窗口（例如服务器上），可以加 -s 无头运行：

ros2 launch ros_gz_sim gz_sim.launch.py gz_args:=-s\ empty.sdf

常见问题

现象	原因与解决办法
Gazebo 窗口黑屏/空白	确认 LIBGL_ALWAYS_SOFTWARE=1 已设置；VcXsrv 正常运行
package 'ros_gz_sim' not found	未安装 ros-jazzy-ros-gz，或新终端没 source（source /opt/ros/jazzy/setup.bash）
模型下载失败	model:// 模型首次需要联网从 Gazebo 资源库下载；网络受限时可先改用 empty.sdf
世界静止不动	仿真处于暂停状态，点 Gazebo 窗口底部的播放按钮
gz: command not found	Gazebo 本体未安装成功，重新执行安装命令

练习题

1. 用 ros2 topic echo /clock 观察仿真时钟，说说它和你电脑系统时间的关系。
2. 在 Gazebo 窗口左侧的实体（Insert）面板中，从资源库里拖入一个模型到世界里，观察它的外观，并用 ros2 topic list 看看话题有什么变化。
3. 尝试无头模式运行空世界，然后用 ros2 topic list 对比有窗口模式的差异。