SDFormat: 一個多機械人的模擬和控制標準

一、介紹

SDFormat是用於描述模擬和控制多機械人系統的XML格式。它提供了一種通用機制來定義機械人、傳感器、物理屬性和場景描述信息。它的設計目的是為了使機械人系統易於建模、交換和擴展。

SDFormat最初由根據教育和研究的需要而創建的Robotics Institute of Carnegie Mellon University的團隊開發。它作為ROS(Robot Operating System)的一部分，用於描述模擬和控制機械人的多個方面。SDFormat支持多種不同的機械人軟件和硬件平台，並利用ROS和Gazebo等類似的軟件框架來構建其模擬環境和執行控制操作。

二、機械人模型定義

在SDFormat中，機械人模型是由可以嵌套的元素描述的，這些元素通常包括可視化和物理屬性描述。機械人元素基本上是動態對象，包括鏈接、碰撞器、傳感器和連接器等。它們被組織成骨架，骨架可以用來定義運動鏈或者一個剛性載體。

下面是一個簡單的機械人模型定義示例，在這個例子中，機械人具有一個立方體形狀的身體，四個圓柱形的腿和一個球形的關節。

<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、傳感器描述

SDFormat允許用戶定義多個不同類型的傳感器，包括：攝像頭、激光雷達和接近傳感器等等。傳感器通常被直接嵌套在機械人模型中，但是SDFormat也允許它們被嵌套在其他對象中。

下面是一個簡單的傳感器定義示例，在這個例子中，傳感器是一個圓錐形的視野切片，可以測量從機械人正前方到120度角度內的距離。傳感器還通過<sensor>元素指定了計時器、更新頻率和所需的物理屬性等信息。

<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、場景描述

除了機械人和傳感器描述外，SDFormat還允許用戶描述場景中的其他元素，包括地面、環境和燈光等。

下面是一個簡單的場景描述示例，在這個例子中，場景包含一個平面和一個方向光源。

<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、物理屬性

SDFormat提供了完整的物理屬性描述，包括質量、慣性、摩擦、彈性和阻尼等。這些屬性可以使用元素來定義，並應用於物體、連接器和約束等。

下面是一個簡單的物體描述示例，在這個例子中，一個球體具有質量、慣性和摩擦屬性。

<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、總結

SDFormat是一種通用的XML格式，用於描述多機械人的模擬和控制。它支持機械人模型、傳感器描述和場景描述等多種元素，並提供了豐富的物理屬性描述，能夠使用ROS等現有軟件框架進行交換和擴展。對於需要模擬多機械人系統的教育和研究來說，SDFormat是一個非常有用的工具。