SDFormat: 一个多机器人的模拟和控制标准

一、介绍

SDFormat是用于描述模拟和控制多机器人系统的XML格式。它提供了一种通用机制来定义机器人、传感器、物理属性和场景描述信息。它的设计目的是为了使机器人系统易于建模、交换和扩展。

SDFormat最初由根据教育和研究的需要而创建的Robotics Institute of Carnegie Mellon University的团队开发。它作为ROS(Robot Operating System)的一部分，用于描述模拟和控制机器人的多个方面。SDFormat支持多种不同的机器人软件和硬件平台，并利用ROS和Gazebo等类似的软件框架来构建其模拟环境和执行控制操作。

二、机器人模型定义

在SDFormat中，机器人模型是由可以嵌套的元素描述的，这些元素通常包括可视化和物理属性描述。机器人元素基本上是动态对象，包括链接、碰撞器、传感器和连接器等。它们被组织成骨架，骨架可以用来定义运动链或者一个刚性载体。

下面是一个简单的机器人模型定义示例，在这个例子中，机器人具有一个立方体形状的身体，四个圆柱形的腿和一个球形的关节。

<robot name="my_robot">
  <static>false</static>
  <link name="link1">
    <physics>
      <mass>10.0</mass>
      <inertia>1 1 1</inertia>
      <gravity>1</gravity>
    </physics>
    <visual name="visual1">
      <geometry>
        <box size="1 2 3"/>
      </geometry>
    </visual>
    <collision name="collision1">
      <geometry>
        <box size="1 2 3"/>
      </geometry>
    </collision>
  </link>
  <joint name="joint1" type="ball">
    <parent>link1</parent>
    <child>link2</child>
    <pose>0 0 0 0 0 1.57</pose>
    <limits>
      <lower>-1.57</lower>
      <upper>1.57</upper>
    </limits>
  </joint>
</robot>

三、传感器描述

SDFormat允许用户定义多个不同类型的传感器，包括：摄像头、激光雷达和接近传感器等等。传感器通常被直接嵌套在机器人模型中，但是SDFormat也允许它们被嵌套在其他对象中。

下面是一个简单的传感器定义示例，在这个例子中，传感器是一个圆锥形的视野切片，可以测量从机器人正前方到120度角度内的距离。传感器还通过<sensor>元素指定了计时器、更新频率和所需的物理属性等信息。

<sensor name="my_sensor" type="ray">
  <pose>0 0 0 0 0 0</pose>
  <camera>
    <hfov>120</hfov>
    <image>
      <width>640</width>
      <height>480</height>
      <format>R8G8B8</format>
    </image>
    <clip>
      <near>0.1</near>
      <far>100.0</far>
    </clip>
  </camera>
  <range>
    <min>0.1</min>
    <max>100.0</max>
  </range>
  <update_rate>30</update_rate>
  <topic>/my_topic</topic>
</sensor>

四、场景描述

除了机器人和传感器描述外，SDFormat还允许用户描述场景中的其他元素，包括地面、环境和灯光等。

下面是一个简单的场景描述示例，在这个例子中，场景包含一个平面和一个方向光源。

<sdf version='1.5'>
  <world name='my_world'>
    <include>
      <uri>model://ground_plane</uri>
    </include>
    <light name='my_light'>
      <type>directional</type>
      <pose>0 0 10 0 0 0</pose>
      <diffuse>1.0 1.0 1.0 1.0</diffuse>
      <specular>0.1 0.1 0.1 1.0</specular>
      <attenuation>
        <range>1000.0</range>
        <constant>0.9</constant>
        <linear>0.01</linear>
        <quadratic>0.001</quadratic>
      </attenuation>
      <direction>1 1 -1</direction>
    </light>
  </world>
</sdf>

五、物理属性

SDFormat提供了完整的物理属性描述，包括质量、惯性、摩擦、弹性和阻尼等。这些属性可以使用元素来定义，并应用于物体、连接器和约束等。

下面是一个简单的物体描述示例，在这个例子中，一个球体具有质量、惯性和摩擦属性。

<model>
  <name>my_ball</name>
  <link>
    <inertial>
      <mass>1.0</mass>
      <pose>0 0 0.5 0 0 0</pose>
      <inertia>1 1 1 0 0 0</inertia>
    </inertial>
    <collision>
      <geometry>
        <sphere>
          <radius>0.5</radius>
        </sphere>
      </geometry>
      <surface>
        <friction>
          <ode>
            <mu>0.2</mu>
            <mu2>0.1</mu2>
          </ode>
        </friction>
      </surface>
    </collision>
    <visual>
      <geometry>
        <sphere>
          <radius>0.5</radius>
        </sphere>
      </geometry>
    </visual>
  </link>
</model>

六、总结

SDFormat是一种通用的XML格式，用于描述多机器人的模拟和控制。它支持机器人模型、传感器描述和场景描述等多种元素，并提供了丰富的物理属性描述，能够使用ROS等现有软件框架进行交换和扩展。对于需要模拟多机器人系统的教育和研究来说，SDFormat是一个非常有用的工具。