ROS2系列教程：Gazebo仿真基础与世界搭建

本文是 ROS2 系列教程的第 18 篇

本文是 ROS2 系列教程的第 18 篇：Gazebo 仿真基础与世界搭建。前两篇我们用 URDF/Xacro 描述了机器人的“骨骼”，但骨骼自己不会动、不会掉下来、也不会感知。Gazebo 就是那个给机器人注入物理规律的“虚拟世界”：重力、摩擦、碰撞、传感器噪声全部真实可感。本篇从零搭建 Gazebo 环境：理解 world 文件结构、掌握 gazebo_ros 桥接包、把小车 spawn 进世界、用 ROS2 命令控制它动起来。学完你就有了一套可复用的“仿真闭环”，后续 SLAM 建图、Nav2 导航、MoveIt2 全部在此之上进行。

一、Gazebo 是什么

1.1 定位

Gazebo 是一个高保真 3D 机器人仿真器，提供：

• 物理引擎（ODE/Bullet 等）：重力、摩擦、碰撞、关节约束。
• 传感器仿真：激光雷达（gpu_laser）、相机、IMU、接触传感器。
• 世界构建：静态物体、地形、光源、GUI 交互。
• ROS2 桥接：gazebo_ros 包把仿真世界和 ROS2 话题无缝对接。

在 ROS2 Humble 中，经典 Gazebo（Gazebo Classic 11）仍是教学主流，ros_gz（新 Gazebo 与 ROS2 的桥接）正在兴起。本篇以 Gazebo Classic + gazebo_ros 为例，概念对新版同样适用。

1.2 安装

1
# Ubuntu 22.04 + ROS2 Humble
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sudo apt install ros-humble-gazebo-ros-pkgs
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4
# 验证
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ros2 pkg list | grep gazebo
6
# 输出：gazebo_dev、gazebo_msgs、gazebo_plugins、gazebo_ros、gazebo_ros_pkgs

启动测试：

1
gazebo --verbose

如果打开一个带地板和天空的默认世界，说明安装成功。

1.3 与 RViz 的分工

理解：Gazebo 里掉下来的东西真的会摔，RViz 里不会。仿真流程中通常 Gazebo 跑物理，ROS2 节点发控制指令，RViz 显示 TF/地图/点云。

二、world 文件：虚拟世界的“地图”

2.1 world 文件是什么

world 文件是 Gazebo 的 SDF（Simulation Description Format）文件，描述世界的物理属性、静态物体、光照等。它是 Gazebo 世界的“上帝视角配置”。

最小 world 文件：

1
<?xml version="1.0"?>
2
<sdf version="1.6">
3
  <world name="default">
4
    <!-- 物理参数 -->
5
    <physics type="ode">
6
      <max_step_size>0.001</max_step_size>
7
      <real_time_factor>1</real_time_factor>
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    </physics>
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    <!-- 光照 -->
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    <include>
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      <uri>model://sun</uri>
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    </include>
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    <!-- 地面 -->
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    <include>
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      <uri>model://ground_plane</uri>
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    </include>
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  </world>
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</sdf>

2.2 常用元素

2.3 添加障碍物（墙）

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<model name="wall">
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  <static>true</static>
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  <link name="wall_link">
4
    <collision name="collision">
5
      <geometry>
6
        <box>
7
          <size>2.0 0.2 0.5</size>
8
        </box>
9
      </geometry>
10
    </collision>
11
    <visual name="visual">
12
      <geometry>
13
        <box>
14
          <size>2.0 0.2 0.5</size>
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        </box>
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      </geometry>
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      <material>
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        <ambient>0.8 0.2 0.2 1</ambient>
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      </material>
20
    </visual>
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  </link>
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  <pose>0 0 0.25 0 0 0</pose>
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</model>

<static>true</static> 表示不可移动。把墙摆成迷宫，就有了 SLAM 建图的世界。

三、把机器人放进世界：spawn_entity

3.1 gazebo_ros 的核心节点

gazebo_ros 提供两个关键可执行文件：

• gazebo：启动仿真服务器与 GUI。
• spawn_entity.py：把 URDF/SDF 模型生成到世界中。

spawn 的本质：把 robot_description 参数里的 URDF 转成 SDF，插入 Gazebo 世界，并在 world 坐标系的指定位姿处放置。

3.2 命令行手动 spawn

1
# 1. 启动世界（先手动放好机器人）
2
ros2 run gazebo_ros gazebo --verbose -s libgazebo_ros_factory.so
3

4
# 2. 另一个终端：spawn 机器人到 (0,0,0.1)
5
ros2 run gazebo_ros spawn_entity.py \
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  -topic robot_description \
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  -entity demo_car \
8
  -x 0 -y 0 -z 0.1

• -topic robot_description：从话题读 URDF（需要有人发布）。
• -entity：模型在 Gazebo 中的名字。
• -x -y -z：spawn 位置；-R -P -Y：姿态（欧拉角）。

3.3 一步到位：launch 文件

工程实践中从 launch 启动，模板如下：

1
from launch import LaunchDescription
2
from launch.actions import IncludeLaunchDescription, SetEnvironmentVariable
3
from launch.launch_description_sources import PythonLaunchDescriptionSource
4
from launch_ros.actions import Node
5
from launch.substitutions import Command
6
import os
7
from ament_index_python.packages import get_package_share_directory
8

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def generate_launch_description():
10
    # 1. 找到世界文件
11
    world_path = os.path.join(
12
        get_package_share_directory('my_robot_bringup'),
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        'worlds', 'my_world.world')
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    # 2. 启动 Gazebo（加载世界）
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    gazebo = IncludeLaunchDescription(
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        PythonLaunchDescriptionSource(
18
            os.path.join(get_package_share_directory('gazebo_ros'),
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                         'launch', 'gazebo.launch.py')),
20
        launch_arguments={'world': world_path}.items(),
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    )
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    # 3. 发布 robot_description（xacro 展开）
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    robot_state_publisher = Node(
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        package='robot_state_publisher',
26
        executable='robot_state_publisher',
27
        parameters=[{'robot_description': Command(
28
            ['xacro ', os.path.join(
29
                get_package_share_directory('my_robot_description'),
30
                'urdf', 'demo_car.xacro')])}],
31
        output='screen',
32
    )
33

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    # 4. spawn 机器人
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    spawn_entity = Node(
36
        package='gazebo_ros',
37
        executable='spawn_entity.py',
38
        arguments=['-topic', 'robot_description',
39
                   '-entity', 'demo_car',
40
                   '-x', '0', '-y', '0', '-z', '0.1'],
41
        output='screen',
42
    )
43

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    return LaunchDescription([
45
        SetEnvironmentVariable('GZ_SIM_RESOURCE_PATH', os.path.join(
46
            get_package_share_directory('my_robot_description'), 'meshes')),
47
        gazebo,
48
        robot_state_publisher,
49
        spawn_entity,
50
    ])

运行：

1
ros2 launch my_robot_bringup gazebo.launch.py

如果一切正常：Gazebo 窗口中出现小车，RViz（另开）能看到 TF 树。此时小车会立刻被重力按在地面上——因为惯性/碰撞体都配好了。

3.4 常见失败：机器人掉穿地面

小车掉穿地面通常原因：

1. 模型碰撞体缺失：检查每个 link 都有 <collision>。
2. spawn 高度太低：-z 应大于底盘一半高度（0.1 一般够）。
3. 碰撞体与 visual 不一致：visual 比 collision 大，看起来“悬空”。

排查命令：

1
# 看模型是否在 /tf 中（base_link 相对 world）
2
ros2 run tf2_ros tf2_echo world base_link

四、让小车动起来：差速驱动插件

4.1 差速驱动原理回顾

差速小车通过左右轮速度差控制运动：

• 两轮同速同向 → 直行。
• 两轮同速反向 → 原地旋转。
• 速度差 → 转弯。

控制输入是 cmd_vel（geometry_msgs/msg/Twist：线速度+角速度），gazebo 差速插件把它转成左右轮角速度。

4.2 在 URDF 中加差速插件（gazebo 标签）

在 URDF/Xacro 的 <robot> 内、link/joint 之外添加：

1
<!-- gazebo 标签专门给仿真用，URDF 解析器会忽略 -->
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<gazebo>
3
  <plugin name="diff_drive" filename="libgazebo_ros_diff_drive.so">
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    <ros>
5
      <namespace>/</namespace>
6
      <remapping>cmd_vel:=cmd_vel</remapping>
7
    </ros>
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    <update_rate>30</update_rate>
9
    <left_joint>base_to_wheel_1</left_joint>
10
    <right_joint>base_to_wheel_-1</right_joint>
11
    <wheel_separation>0.38</wheel_separation>
12
    <wheel_diameter>0.16</wheel_diameter>
13
    <max_wheel_torque>20</max_wheel_torque>
14
    <max_wheel_acceleration>1.0</max_wheel_acceleration>
15
    <command_topic>cmd_vel</command_topic>
16
    <publish_odom>true</publish_odom>
17
    <publish_odom_tf>true</publish_odom_tf>
18
    <odometry_frame>odom</odometry_frame>
19
    <robot_base_frame>base_link</robot_base_frame>
20
  </plugin>
21
</gazebo>

关键参数：

4.3 发送速度指令

1
# 直行 0.5 m/s
2
ros2 topic pub -r 10 /cmd_vel geometry_msgs/msg/Twist \
3
  "{linear: {x: 0.5}, angular: {z: 0.0}}"
4

5
# 原地右转
6
ros2 topic pub -r 10 /cmd_vel geometry_msgs/msg/Twist \
7
  "{linear: {x: 0.0}, angular: {z: 0.5}}"
8

9
# 停止
10
ros2 topic pub -r 10 /cmd_vel geometry_msgs/msg/Twist \
11
  "{linear: {x: 0.0}, angular: {z: 0.0}}"

或者用 teleop_twist_keyboard 手动控制：

1
sudo apt install ros-humble-teleop-twist-keyboard
2
ros2 run teleop_twist_keyboard teleop_twist_keyboard

按 i/j/k/l 前后左右移动，小车会在 Gazebo 中真实运动，同时 odom 话题输出里程计、/tf 广播 odom→base_link。

4.4 里程计验证

1
ros2 topic echo /odom --once

输出包含 pose.pose.position（位置）和 twist.twist.linear.x（速度）。这就是导航系统的输入：SLAM 建图和 Nav2 都用 odom 做预测。

五、Gazebo 与 RViz 联调

5.1 同时启动

推荐结构（bringup 包统一管理）：

1
# 终端 1：Gazebo + 小车
2
ros2 launch my_robot_bringup gazebo.launch.py
3

4
# 终端 2：RViz 显示
5
rviz2

RViz 添加：

• RobotModel：显示模型。
• TF：查看 world→odom→base_link 树。
• LaserScan（下篇配好雷达后）：显示激光数据。

5.2 检查话题清单

1
ros2 topic list
2
# 应看到：
3
# /clock
4
# /odom
5
# /robot_description
6
# /tf
7
# /tf_static

/clock 是仿真时间（use_sim_time=true 时节点使用它），仿真环境必查。

5.3 use_sim_time 必须开

所有“感知时间”的节点（SLAM、导航、传感器处理）在仿真中都要：

1
ros2 run your_node your_node --ros-args -p use_sim_time:=true

或 launch 里统一设置：

1
Node(..., parameters=[{'use_sim_time': True}])

不开 sim time 的典型症状：TF 时间戳错乱、传感器回调延迟、导航“觉得”时间不动。

六、常见问题与排障

6.1 headless 模式（无 GUI 仿真）

服务器/CI 场景常用：

1
# 无 GUI 启动（省资源，适合批量测试）
2
ros2 run gazebo_ros gazebo --verbose -s libgazebo_ros_factory.so --headless

6.2 仿真时间加速/减速

1
# 启动时指定实时因子（0.5 = 半速仿真）
2
gazebo -r 0.5

七、小结与下一篇预告

本篇核心：

1. Gazebo 是物理仿真器：重力/摩擦/碰撞/传感器，与 RViz 分工明确（仿真 vs 显示）。
2. world 文件：SDF 格式，physics/ground_plane/sun/静态模型，可搭墙做迷宫。
3. spawn 流程：gazebo_ros 启动世界 + spawn_entity.py 插入模型 + robot_state_publisher 发布描述。
4. 差速插件：libgazebo_ros_diff_drive.so 订阅 cmd_vel → 驱动左右轮 → 发布 odom/TF。
5. 闭环验证：launch 一键启动 → teleop_twist_keyboard 控制 → 话题/TF 检查。
6. use_sim_time 与 /clock 是仿真与真机最大的区别，必须理解。

下一篇进入 Gazebo 插件：给小车装上“眼睛”——激光雷达（gpu_laser）、相机、IMU 插件，让传感器数据真正进入 ROS2 话题。有了传感器，机器人才能“看见”世界，这是 SLAM 建图（第 21 篇）的前提。物理世界已就绪，感知即将开启。