使用 Webots 搭建麦轮小车

DCS361 - Introduction to Robotics 2021 Fall

背景

麦克纳姆轮 (Mecanum wheel) 是一种全向轮，其设计原理是在车轮的外环中安装了与轴心成45度角排列的滚子与地面接触，转动时摩擦力会产生与轮轴呈45度的反推力，这个斜向推力可以被分为纵向和横向两个向量。整个车体由两对拥有滚子镜像排列的麦克纳姆轮所驱动，每个车轮各自会产生相应的向量，这些向量的合力决定了车体最终的活动状态。通过调节各个车轮独自的转向和转速，可以实现整个车体前行、横移、斜行、旋转及其组合等运动方式。

环境

Windows 10 21H1 19043.1237

Webots R2021b

实验步骤

构建世界和地面

1. 在左侧点击 World Info -> coordinate System 修改坐标系，将NUE坐标系改为ENU，这样使得z轴朝上。保存后重启Webots。
2. 确保仿真没在运行。首先右键漆黑一片的界面，选择Add New，选择添加 PROTO nodes (Webots Projects) ->objects->backgrounds 中的 TexturedBackground (Background) 和 TexturedBackgroundLight (DirectionalLight)。现在可以看到不再一片漆黑，如果还看不见东西，选择 View->Change View，随便换一下就可以看见远处的山了。
3. 选择 Add New -> PROTO nodes (Webots Projects) -> objects -> floors -> CircleArena (Solid) 添加地面。此时可以看见地面悬浮在半空中，但是是垂直的。我们可以打开 View -> Optional Rendering -> Show Coordinate System 来查看世界坐标系。通过左侧调整 rotation 参数，我们将它绕x轴旋转1.5707963267949rad，这样就与地面平行了。我们可以将 radius 调为 2，这样会大一些。

构建机器人

1. 现在我们来建造属于自己的机器人。添加 Base nodes -> Robot，可以看到左侧出现了 Robot 对象。

2. 现在添加机器人刚体。在 Robot 对象的 children 节点下右键 Add New 添加 Base nodes -> Shape 节点，然后点击它，在左下 DEF 那里为他改名叫 Body，便于下面碰撞边界的使用。

3. 现在修改机器人外观形状，在 Shape -> geometry 处右键 Add New，添加 Base nodes -> Box，可以看到世界中出现了一个白色的立方体。展开左侧 geometry Box，可以调整 size。这里调整为：x=0.3m, y=0.2m, z=0.08m.

4. 刚才我们创建了外观形状，现在要定义它物理碰撞边界。先在左侧 Robot -> boundingObject 节点右键 Add New 添加 USE -> Body (Shape)，这样我们的碰撞边界就和形状一模一样了。

5. 现在给它物理属性，令它受重力影响。如果不先定义碰撞边界，则一旦有了重力小车便会掉穿过地板。在左侧 Robot -> Physics 节点右键 Add New 添加 Base nodes -> Physics。这时候我们尝试把小车往上提，打开仿真，可以看到小车掉在地板上弹了几下。

构建轮子

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普通轮子

1. 现在给小车添加铰链，在 Robot 对象的 children 节点下右键 Add New 添加 Base nodes -> HingeJoint 节点。

   1. 现在为铰链一端添加电机，选择 HingeJoint -> device 右键 Add New 添加 Base nodes -> RotationalMotor，然后改名为motor1，因为程序中想调用电机，要先通过名字获取它的句柄。
   2. 现在为铰链另一端添加轮子，选择 HingeJoint -> endPoint 右键 Add New 添加 Base nodes -> Solid.
   3. 然后选择 HingeJoint -> endPoint -> children 右键 Add New 添加 Base nodes -> Shape.
   4. 然后选择 HingeJoint -> endPoint -> children -> geometry 右键 Add New 添加 Base nodes -> Cylinder.
   5. 在 HingeJoint -> endPoint -> children -> geometry 把轮子大小改成半径0.06m，高0.05m.
   6. 在 HingeJoint -> endPoint 把轮子位置改成 x=0.1m y=-0.15m z=0m.

2. 现在把铰链装到小车上。选择 HingeJoint -> jointParameters 右键 Add New 添加 Base nodes -> HingeJointParameters，并在 HingeJoint -> jointParameters -> anchor 修改安装位置，安装在 (0.1, -0.15, 0) 处，在 axis 处把轴改为 (0, 1, 0).

3. 现在一个带有驱动的轮子就做好了，我们需要复制另外三个然后修改他们的锚点，这样就大功告成。

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复制麦轮

从TA发的世界复制4个麦轮过来，具体步骤是在TA发的世界里右键轮子选择导出，然后在自己的世界里选择 Robot -> children 右键 Add New，选择 import...，导入之前导出的轮子即可。

设置摩擦材质

1. 添加两个ContactProperties节点，通过此节点可以定义Solid节点碰撞时的行为。右键选择 WorldInfo -> contactProperties， Add New，添加 Base nodes -> ContactProperties，执行两次。

2. 调节两个ContactProperties节点的参数如下。主要是material1、coulombFriction、frictionRotation、forceDependentSlip这几个参数。

添加机器控制器

1. 向导 -> 新机器人控制器 -> C++。现在创建了含有控制器的文件夹。
2. Robot -> controller 把我们刚刚创建的C++文件设为机器人控制器。

编写机器人控制器

1. 首先需要 include 头文件，必要的是这三个 Webots 的库，其他C++库不在此展开。然后可以选择使用webots命名空间。

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    #include <webots/Robot.hpp>
    #include <webots/Motor.hpp>
    #include <webots/Keyboard.hpp>
    using namespace webots;
   

2. 进入主函数，构造键盘、马达和机器人对象，然后定义键盘读取缓冲区，要有两个缓冲区，因为我们可以合成两个方向，因此也要定义两个速度数组。设置每1ms读取一次键盘输入。后面为啥要把速度设为7.4呢？因为我们的马达定义了最大速度14.8，超速就会有Warning。定义为最大速度的一半这样合成的时候就不会超过最大速度了。

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        webots::Keyboard keyboard;
        // create the Motor instance.
        Motor *motors[4];
        char wheels_names[4][8] = { "motor1", "motor2", "motor3", "motor4" };
        // create the Robot instance.
        Robot *robot = new Robot();
        // read keyboard every 1ms 
        keyboard.enable(1);
        int keyValue1, keyValue2;
       
        double speed1[4];
        double speed2[4];
        double velocity = 7.4; // max motor velocity div 2
   

3. 根据麦轮的原理把小车的动作中车轮的速度方向抽象起来。

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        // control the Mecanum wheels to make the car move
        double speed_forward[4] = { velocity, velocity ,velocity ,velocity };
        double speed_backward[4] = { -velocity, -velocity ,-velocity ,-velocity };
        double speed_leftward[4] = { velocity, -velocity ,velocity ,-velocity };
        double speed_rightward[4] = { -velocity, velocity, -velocity, velocity };
       
        double speed_leftCircle[4] = { velocity ,-velocity ,-velocity ,velocity };
        double speed_rightCircle[4] = { -velocity ,velocity ,velocity ,-velocity };
   

4. 然后我们获取世界的时间步长，决定了仿真的模拟速度。之后初始化马达速度为0，目标距离无穷远。

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        // get the time step of the current world.
        int timeStep = (int)robot->getBasicTimeStep();
        // init motors
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
        motors[i] = robot->getMotor(wheels_names[i]);
        motors[i]->setPosition(std::numeric_limits<double>::infinity());
        motors[i]->setVelocity(0.0);
        speed1[i] = 0;
        speed2[i] = 0;
        }
   

5. 进入主循环，这里我们在每次循环读取两个键盘输入，然后判定。其中WASD是上下左右，QE分别是向左向右自转。判定完就设置速度，最后两组速度相加传入马达。

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    while (robot->step(timeStep) != -1) {
        keyValue1 = keyboard.getKey();
        keyValue2 = keyboard.getKey();
        if (keyValue1 == 'W') {
                for (int i = 0; i < 4; i++)
                    speed1[i] = speed_forward[i];
        } else if (keyValue1 == 'S') {
       
            ...
       
        }
       
        if (keyValue2 == 'W') {
            ...
        } 
        // set velocity
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            motors[i]->setVelocity(speed1[i] + speed2[i]);
        }
    }
   

结果与分析

运行界面如下，小车可以自由正确地运动，同时按下两个按键，速度也能合成。

期间坎坷

实现过程中遇到了一个问题，就是我一开始只复制了一个麦轮，妄想通过修改另外三个轮子的铰链锚点和位置，铰链、马达、传感器的名字，来实现四个麦轮。最后车前进的时候是往左前行驶的。通过分析才发现每个轮子的上面的轱辘都不太一样。

另一个问题是小车跑起来之后有点打滑，解决方案是修改摩擦系数或者修改小车受到重力。我修改了密度，把它从1000增加到10000，小车稳重了许多。

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