ROS2 + Gazeboでロボットシミュレーション環境を構築する【URDF・launch・センサー】
実機でテストする前にシミュレーターで動作確認できると、開発サイクルが大幅に速くなります。ロボットを壊すリスクもゼロです。
この記事ではROS2 + Gazebo Classicでシミュレーション環境を構築する手順を、実際に動くURDFと設定ファイルを使って説明します。
インストール
# Gazebo Classic（Gazebo 11）
sudo apt install gazebo
sudo apt install ros-humble-gazebo-ros-pkgs \
ros-humble-gazebo-ros2-control
# RobotStatePublisher（URDFを読んでTFを配信）
sudo apt install ros-humble-robot-state-publisher \
ros-humble-joint-state-publisherURDFでロボットモデルを作る
最小構成のロボット（差動二輪）
<?xml version="1.0"?>
<robot name="diff_robot" xmlns:xacro="http://www.ros.org/wiki/xacro">
<!-- マテリアル定義 -->
<material name="blue">
<color rgba="0.2 0.4 0.8 1.0"/>
</material>
<material name="gray">
<color rgba="0.5 0.5 0.5 1.0"/>
</material>
<!-- ===== ベース ===== -->
<link name="base_footprint"/>
<joint name="base_joint" type="fixed">
<parent link="base_footprint"/>
<child link="base_link"/>
<origin xyz="0 0 0.1"/> <!-- 地面から10cm上に基準点 -->
</joint>
<link name="base_link">
<visual>
<geometry>
<box size="0.3 0.2 0.1"/>
</geometry>
<material name="blue"/>
</visual>
<collision>
<geometry>
<box size="0.3 0.2 0.1"/>
</geometry>
</collision>
<inertial>
<mass value="2.0"/>
<!-- 直方体の慣性テンソル: I = m/12 * (h²+d²) など -->
<inertia ixx="0.0058" ixy="0" ixz="0"
iyy="0.0108" iyz="0"
izz="0.0150"/>
</inertial>
</link>
<!-- ===== 左車輪 ===== -->
<link name="left_wheel">
<visual>
<geometry>
<cylinder radius="0.05" length="0.04"/>
</geometry>
<material name="gray"/>
</visual>
<collision>
<geometry>
<cylinder radius="0.05" length="0.04"/>
</geometry>
</collision>
<inertial>
<mass value="0.3"/>
<inertia ixx="0.000188" ixy="0" ixz="0"
iyy="0.000188" iyz="0"
izz="0.000375"/>
</inertial>
</link>
<joint name="left_wheel_joint" type="continuous">
<parent link="base_link"/>
<child link="left_wheel"/>
<origin xyz="0 0.12 -0.05" rpy="-1.5708 0 0"/>
<axis xyz="0 0 1"/>
</joint>
<!-- ===== 右車輪 ===== -->
<link name="right_wheel">
<visual>
<geometry>
<cylinder radius="0.05" length="0.04"/>
</geometry>
<material name="gray"/>
</visual>
<collision>
<geometry>
<cylinder radius="0.05" length="0.04"/>
</geometry>
</collision>
<inertial>
<mass value="0.3"/>
<inertia ixx="0.000188" ixy="0" ixz="0"
iyy="0.000188" iyz="0"
izz="0.000375"/>
</inertial>
</link>
<joint name="right_wheel_joint" type="continuous">
<parent link="base_link"/>
<child link="right_wheel"/>
<origin xyz="0 -0.12 -0.05" rpy="-1.5708 0 0"/>
<axis xyz="0 0 1"/>
</joint>
<!-- ===== LiDAR ===== -->
<link name="laser_frame">
<visual>
<geometry>
<cylinder radius="0.03" length="0.04"/>
</geometry>
</visual>
</link>
<joint name="laser_joint" type="fixed">
<parent link="base_link"/>
<child link="laser_frame"/>
<origin xyz="0.1 0 0.07"/>
</joint>
<!-- Gazeboプラグイン：差動駆動 -->
<gazebo>
<plugin name="diff_drive" filename="libgazebo_ros_diff_drive.so">
<left_joint>left_wheel_joint</left_joint>
<right_joint>right_wheel_joint</right_joint>
<wheel_separation>0.24</wheel_separation>
<wheel_radius>0.05</wheel_radius>
<max_wheel_torque>20</max_wheel_torque>
<ros>
<remapping>cmd_vel:=/cmd_vel</remapping>
<remapping>odom:=/odom</remapping>
</ros>
<publish_odom>true</publish_odom>
<publish_odom_tf>true</publish_odom_tf>
</plugin>
</gazebo>
<!-- Gazeboプラグイン：LiDAR -->
<gazebo reference="laser_frame">
<sensor name="lidar" type="ray">
<pose>0 0 0 0 0 0</pose>
<ray>
<scan>
<horizontal>
<samples>360</samples>
<min_angle>-3.14159</min_angle>
<max_angle>3.14159</max_angle>
</horizontal>
</scan>
<range>
<min>0.12</min>
<max>10.0</max>
</range>
</ray>
<plugin name="gazebo_ros_laser" filename="libgazebo_ros_ray_sensor.so">
<ros>
<remapping>~/out:=scan</remapping>
</ros>
<output_type>sensor_msgs/LaserScan</output_type>
<frame_name>laser_frame</frame_name>
</plugin>
<always_on>true</always_on>
<update_rate>10</update_rate>
</sensor>
</gazebo>
</robot>launch ファイル
import os
from launch import LaunchDescription
from launch.actions import ExecuteProcess, IncludeLaunchDescription
from launch.launch_description_sources import PythonLaunchDescriptionSource
from launch_ros.actions import Node
from ament_index_python.packages import get_package_share_directory
def generate_launch_description():
pkg_path = get_package_share_directory('my_robot')
urdf_path = os.path.join(pkg_path, 'urdf', 'robot.urdf')
world_path = os.path.join(pkg_path, 'worlds', 'simple_world.world')
with open(urdf_path, 'r') as f:
robot_description = f.read()
return LaunchDescription([
# Gazebo起動
ExecuteProcess(
cmd=['gazebo', '--verbose', world_path,
'-s', 'libgazebo_ros_init.so',
'-s', 'libgazebo_ros_factory.so'],
output='screen'
),
# robot_state_publisher（URDFからTFを配信）
Node(
package='robot_state_publisher',
executable='robot_state_publisher',
parameters=[{'robot_description': robot_description,
'use_sim_time': True}],
output='screen'
),
# ロボットをGazeboにスポーン
Node(
package='gazebo_ros',
executable='spawn_entity.py',
arguments=[
'-entity', 'diff_robot',
'-topic', 'robot_description',
'-x', '0.0', '-y', '0.0', '-z', '0.1'
],
output='screen'
),
])よくある詰まりポイント
ロボットが地面に埋まる・飛んでいく
URDFの <inertial> タグの値が問題です。
<!-- NG: inertiaがゼロや極小値 → 物理演算が発散する -->
<inertia ixx="0" ixy="0" ixz="0" iyy="0" iyz="0" izz="0"/>
<!-- OK: 現実的な値を設定 -->
<!-- 直方体(lxm, lym, lzm, mass=m)の場合 -->
<!-- ixx = m/12 * (ly² + lz²) -->
<inertia ixx="0.0058" ixy="0" ixz="0"
iyy="0.0108" iyz="0"
izz="0.0150"/>Gazeboが起動しない（黒い画面のまま）
# GPUレンダリングの問題
export LIBGL_ALWAYS_SOFTWARE=1
gazebo
# または環境変数を確認
echo $DISPLAY # 空の場合は :0 を設定
export DISPLAY=:0[spawn_entity.py] process has died
Gazeboが完全に起動する前にspawnしようとしているケースが多いです。
# launch fileに待機を追加
from launch.actions import TimerAction
TimerAction(
period=3.0, # 3秒待ってからspawn
actions=[spawn_entity_node]
)cmd_velを送っても動かない
差動駆動プラグインのトピック名を確認してください。
ros2 topic list | grep cmd_vel
ros2 topic info /cmd_vel
# テスト送信
ros2 topic pub /cmd_vel geometry_msgs/msg/Twist \
"{linear: {x: 0.1}, angular: {z: 0.0}}" --onceまとめ
Gazeboのシミュレーションは設定ファイルが多くて最初は大変ですが、一度動けばほぼ実機と同じコードでテストできます。
- URDFで形状・物理パラメーター・センサーを定義
- Gazeboプラグインで実際の動作をシミュレート
- launch fileでGazebo・robot_state_publisher・spawnをまとめて起動
次回はNav2とこのシミュレーターを組み合わせた自律ナビゲーションを解説します。