第 7 章 Gazebo 机器人实操：驱动一辆差速小车

学习目标

• 启动官方差分驱动机器人演示世界
• 发布 /cmd_vel 速度指令驱动机器人
• 观察里程计、TF、激光话题
• 在 RViz 中可视化机器人模型和激光数据
• 理解 URDF/SDF 中连杆与关节的基本概念

1. 启动演示世界

上一章安装的 ros-gz-sim-demos 自带一个差速驱动机器人演示（一辆蓝色小车，带激光雷达）：

ros2 launch ros_gz_sim_demos diff_drive.launch.py

弹出两个窗口：

• Gazebo 窗口：蓝色小车停在地面上（如果不动，先点播放按钮）
• RViz 窗口：可视化机器人模型

如果仿真暂停，点 Gazebo 窗口底部的播放按钮。

2. 用话题驱动机器人

新开终端，查看话题：

ros2 topic list

重点看这几个话题：

/model/vehicle_blue/cmd_vel    # 小车速度指令（输入）
/model/vehicle_blue/odom       # 里程计（输出）
/model/vehicle_blue/scan       # 激光雷达数据（输出，若有）

让小车一边前进一边转弯：

ros2 topic pub -r 10 /model/vehicle_blue/cmd_vel geometry_msgs/msg/Twist \
  "{linear: {x: 2.0}, angular: {z: 0.5}}"

参数含义：

• -r 10：以 10 Hz 持续发布
• linear.x：前进速度 2 m/s
• angular.z：旋转角速度 0.5 rad/s

在 Gazebo 窗口里可以看到小车开始移动并在地面上转弯。

观察里程计数据（另一个终端）：

ros2 topic echo /model/vehicle_blue/odom

输出里的 pose.pose.position 是小车在仿真世界里的坐标，twist 是当前速度——这就是“传感器”给 ROS 的反馈。

停止小车：

ros2 topic pub -r 10 /model/vehicle_blue/cmd_vel geometry_msgs/msg/Twist "{linear: {x: 0.0}}"

注意：不同版本/世界的话题名可能略有差异。动手前先 ros2 topic list 确认实际名称，这是所有 ROS 2 调试的第一步。

3. 查看 TF 坐标变换

TF（Transform）描述机器人各部件之间的坐标关系，例如“激光雷达装在底盘上方 0.3 米”。查看当前存在的坐标变换：

ros2 run tf2_tools view_frames

会在当前目录生成 frames.pdf，也可以实时打印两个坐标系之间的变换：

ros2 run tf2_ros tf2_echo <父坐标系> <子坐标系>

先在 RViz 左侧 Fixed Frame 里填 odom（或 world），添加 TF 显示，就能看到坐标系之间的连线。TF 是机器人开发的重要基础，本章先会观察即可。

4. 在 RViz 里看激光雷达

演示启动时已经打开了 RViz。如果激光话题存在，可以手动添加显示：

1. 确认话题：ros2 topic list | grep scan（容器内 bash）
2. 在 RViz 左侧点击 Add → By topic → 选中激光话题（如 /model/vehicle_blue/scan，类型 sensor_msgs/msg/LaserScan）→ OK
3. 确保 Fixed Frame 是 odom 或 world
4. RViz 中会出现一圈点云，就是激光雷达“看到”的周围障碍物

把小车开到墙边，可以实时看到激光点云贴近墙面。

5. URDF/SDF 基础：连杆与关节

机器人在仿真和 ROS 里长什么样，由模型文件描述。URDF（ROS 原生）和 SDF（Gazebo 原生）都是 XML 格式，核心概念一致：

• 连杆（Link）：刚体部件，如底盘、轮子、激光雷达，有质量和惯性
• 关节（Joint）：连接连杆并定义相对运动，如轮子的转动关节

一个最简单的“方块机器人” URDF 示意：

<robot name="box_robot">
  <!-- 底盘：一个 0.5m 的立方体 -->
  <link name="base_link">
    <visual>
      <geometry><box size="0.5 0.5 0.1"/></geometry>
    </visual>
    <collision>
      <geometry><box size="0.5 0.5 0.1"/></geometry>
    </collision>
  </link>
</robot>

这个模型没有关节，只是一个静止的方块。真实的差速小车还需要轮子、转向/转动关节和驱动插件——官方演示世界里的 vehicle_blue 模型就是完整例子，其 SDF 文件里包含差速驱动系统插件，负责把 /cmd_vel 变成轮子转动。

本教程不要求手写完整 URDF（那是进阶章节的内容），但理解“连杆 + 关节 + 插件”这个骨架，后续看任何机器人模型都能看懂。

6. 把话题数据和仿真时间记下来（预告）

仿真期间，/clock、/model/vehicle_blue/odom、/scan 都是真实可用的 ROS 话题，可以随时 ros2 topic echo。下一章的 MoveIt 会用到同样的“话题通信”思想；第 9 章会教你用 rosbag 把仿真数据录下来回放。

常见问题

现象	原因与解决办法
小车不动	仿真暂停（点播放按钮）；或 cmd_vel 话题名不对（用 ros2 topic list 确认）
RViz 里看不到模型	检查 Fixed Frame 是否设置为 odom/world，并确认 RViz 与 Gazebo 同时运行
找不到 tf2_tools 命令	执行 sudo apt install -y ros-jazzy-tf2-tools
激光点云是空的	激光话题名可能不同，`ros2 topic list
RViz 报 No transform	等待几秒让 TF 数据到达，或重启 RViz

练习题

1. 让小车先直行 3 秒再原地旋转 90 度，再直行 3 秒，观察它的轨迹（用 /odom 验证最终位置）。
2. 用 ros2 topic hz /model/vehicle_blue/odom 测量数据频率，想想激光雷达数据该用什么频率。
3. 在 RViz 中同时显示 TF 和 LaserScan，移动小车，观察坐标系随小车运动的变化。
4. 把 /cmd_vel 改成一个持续发布正弦速度的 ros2 topic pub 命令（提示：--rate 与固定值配合即可），观察小车蛇形前进。