Gazebo

Gazebo 是一套 Robotics Simulator，可提供 Physics、Sensor、Robot Model 與 3D Environment，讓開發者在不需要實體硬體的情況下測試機器人系統。

本頁聚焦於 Modern Gazebo Sim 搭配 ROS 2 的使用方式，並透過 ros_gz Integration Package 進行整合。

概述

Gazebo 與 RViz2 的用途不同：

• Gazebo 用來模擬 Robot、Environment、Physics 與 Sensor。
• RViz2 用來視覺化實體或模擬系統所產生的 ROS 2 Data。

典型的 ROS 2 Simulation Workflow 如下：

Gazebo Sim
   |
   | Gazebo Transport
   v
ros_gz_bridge
   |
   | ROS 2 topics
   v
ROS 2 nodes / RViz2

Gazebo 可以模擬 Camera Image、Depth Image、LiDAR Scan 與 Point Cloud、IMU Data、Robot Motion、Contact 與 Collision。

為什麼重要

Simulation 可以讓你在連接實體硬體之前，先測試 Perception、Navigation、Manipulation 與 Control Logic。

常見用途包括：

• 測試 Robotics Algorithm
• 驗證 Robot Model 與 Sensor
• 穩定重現相同 Scenario
• 在沒有實體 Robot 的情況下進行開發
• 執行 Automated Test 或 Regression Test

Simulation 無法完全取代實體硬體驗證，但可以大幅減少必須直接在 Robot 上進行的開發與測試工作。

核心概念

Gazebo Sim 與 ROS 2

Modern Gazebo 使用自己的通訊系統：Gazebo Transport。

ROS 2 Node 不會自動接收到 Gazebo Transport Message。

ros_gz Package 提供 Gazebo 與 ROS 2 之間的 Integration Layer。

其中最常使用的元件之一是 ros_gz_bridge，它可以在支援的 Gazebo Message Type 與 ROS 2 Message Type 之間進行轉換。

Gazebo Classic vs. Modern Gazebo

較舊的 ROS Tutorial 可能會介紹 Gazebo Classic，以及以下 Package：

gazebo_ros

本教學則使用 Modern Gazebo Sim 架構：

gz sim
ros_gz
ros_gz_bridge

不要直接假設 Gazebo Classic 的 Instruction 或 Plugin 可以套用到 Modern Gazebo Sim。

URDF 與 SDF

ROS 2 的 Robot Description 通常使用 URDF，而 Gazebo 原生使用的 Simulation Description Format 則是 SDF。

URDF 很適合描述 Robot 的 Kinematic Structure。

但 Sensor、Plugin、Friction，以及其他 Simulation-specific Physics Setting，可能需要額外的 Gazebo / SDF Configuration。

ROS 2 Robot Description 的基礎內容可參考 URDF Robot Model。

Simulation Time

Simulator 會維護自己的 Simulation Clock，而不是只依賴 Wall-clock Time。

如果 ROS 2 Node 應該跟隨 Gazebo 的 Simulation Time，必須同時滿足：

1. Gazebo 的 Simulation Time 要能提供給 ROS 2，通常透過 /clock。
2. 需要跟隨 Simulation Time 的 ROS 2 Node，必須將 use_sim_time 設為 true。

這與 Rosbag 中介紹的 ROS 2 Time Mechanism 相同。

安裝

安裝目前 ROS 2 Distribution 對應的 Integration Package：

sudo apt update
sudo apt install ros-${ROS_DISTRO}-ros-gz

相容的 Gazebo Release 取決於 ROS 2 Distribution，以及 Target Platform 上可用的 Package。

不要直接將其他 ROS 2 Distribution 使用的 Gazebo Release 寫死在安裝流程中。

如果安裝 ROS Integration Package 後仍無法使用 gz sim，請依照目前環境的 Gazebo / ROS Compatibility Documentation，安裝與該 ROS 2 Distribution 相容的 Gazebo Release。

提示

版本相容性

Gazebo Release 與 ROS 2 Distribution 有特定的 Compatibility Pairing。

在發布 Platform-specific Installation Instruction 前，請先確認 Robotic Suite Image 或 Target Platform 支援的實際組合。

實作步驟

1. 啟動 Gazebo

啟動 Gazebo Sim：

gz sim

依已安裝的 Gazebo Version 不同，啟動畫面可能會提供 World Selection 或 Launcher。

選擇一個可用的 Example World，並啟動 Simulation。

實際可用的 World 與 User Interface 可能會因 Gazebo Release 而不同。

2. 檢查 Gazebo Topic

可以使用以下指令列出 Gazebo Transport Topic：

gz topic -l

實際 Topic Name 取決於所選的 World、Model、Link 與 Sensor。

例如 Sensor Topic 常會包含類似以下 Path：

/world/<world_name>/model/<model_name>/link/<link_name>/sensor/<sensor_name>/...

不要直接假設某個 Example World 的 Topic Path 在其他 World 中也一定存在。

3. 將 Gazebo Data Bridge 到 ROS 2

ros_gz_bridge 可以在 Gazebo Transport 與 ROS 2 之間建立 Bridge。

Gazebo-to-ROS Bridge 的一般格式如下：

ros2 run ros_gz_bridge parameter_bridge   <topic>@<ros_message_type>[<gz_message_type>

例如，要 Bridge 一個 Gazebo Image Topic，可以使用類似以下格式：

ros2 run ros_gz_bridge parameter_bridge   /world/<world>/model/<model>/link/<link>/sensor/<camera>/image@sensor_msgs/msg/Image[gz.msgs.Image

Gazebo Point Cloud Topic 則可以使用：

ros2 run ros_gz_bridge parameter_bridge   /world/<world>/model/<model>/link/<link>/sensor/<sensor>/points@sensor_msgs/msg/PointCloud2[gz.msgs.PointCloudPacked

請使用以下指令實際取得 Topic，再替換上方 Example Path：

gz topic -l

4. 確認 ROS 2 Topic

啟動 Bridge 後，先檢查 ROS 2 Graph：

ros2 topic list

接著檢查 Bridged Topic：

ros2 topic info <topic_name> -v

如果是 Image Topic，也可以使用：

ros2 topic echo <topic_name> --once

對 Image 或 Point Cloud 等 High-bandwidth Sensor Data，通常使用 RViz2 會比持續將 Message 印到 Terminal 更實用。

5. 在 RViz2 中顯示 Bridged Data

啟動 RViz2：

ros2 run rviz2 rviz2

加入適合的 Display，例如：

• Image
• PointCloud2
• LaserScan
• TF

並選擇由 Bridge 建立的 ROS 2 Topic。

完整 Visualization Workflow 可參考 RViz2。

6. 必要時使用 Simulation Time

如果 ROS 2 Node 應該使用 Gazebo 的 Simulation Clock，需要將模擬的 /clock Topic Bridge 或以其他方式提供給 ROS 2，並在 Consumer Node 上啟用 Simulated Time。

可以使用以下方式建立 /clock Bridge：

ros2 run ros_gz_bridge parameter_bridge   /clock@rosgraph_msgs/msg/Clock[gz.msgs.Clock

接著在正在執行的 ROS 2 Node 上啟用 Simulated Time：

ros2 param set <node_name> use_sim_time true

ROS 2 端是否已經存在 /clock，取決於 Simulation 的 Launch 與 Integration 方式。

建立額外 Bridge 前，先檢查：

ros2 topic list | grep clock

預期成果

啟動 Gazebo 與必要的 Bridge 後：

• Gazebo 正常執行所選的 World 與 Simulated Sensor。
• gz topic -l 可以看到 Gazebo Transport Topic。
• ros2 topic list 可以看到 Bridged ROS 2 Topic。
• ROS 2 Tool 可以檢查 Bridged Message。
• RViz2 可以顯示支援的 Simulated Sensor Data。
• 當 /clock 存在時，設定 use_sim_time=true 的 Node 會跟隨 Simulation Time。

常用指令

# Start Gazebo Sim
gz sim

# List Gazebo Transport topics
gz topic -l

# Inspect Gazebo CLI help
gz sim --help
gz topic --help

# Start a Gazebo-to-ROS bridge
ros2 run ros_gz_bridge parameter_bridge   <topic>@<ros_message_type>[<gz_message_type>

# Inspect ROS 2 topics
ros2 topic list
ros2 topic info <topic_name> -v

# Start RViz2
ros2 run rviz2 rviz2

# Check simulated time
ros2 topic list | grep clock
ros2 param get <node_name> use_sim_time

常見問題

• gz: command not found — 相容的 Gazebo Runtime 尚未安裝，或目前 Environment 無法使用。請確認 Target Platform 支援的 Gazebo / ROS 2 Pairing。
• 找不到 ros_gz_bridge Package — 安裝目前 ROS 2 Distribution 對應的 ROS Integration Package，並確認 ROS 2 Environment 已經 source。
• Bridge 已啟動，但 ROS 2 端沒有資料 — 使用 gz topic -l 確認 Gazebo Topic Name，並確認 Bridge Command 中的 Gazebo 與 ROS Message Type 正確。
• Example Topic Path 不存在 — Topic Path 取決於所選 World、Model、Link 與 Sensor。應使用 gz topic -l 檢查，而不是直接複製其他 World 的 Topic Path。
• RViz2 已收到資料，但出現 TF Error — Sensor Message 所屬 Frame 沒有連接到 RViz2 所選的 Fixed Frame。請使用 TF2 中介紹的工具檢查 TF Tree。
• Simulation 中 ROS 2 Timer 或 TF 行為異常 — 確認 /clock 存在，並確認所有應該跟隨 Simulation Time 的 Node 都設定 use_sim_time=true。
• 效能不佳 — 複雜 World、高解析度 Camera、Point Cloud 與 Physics Setting 都可能需要大量 CPU / GPU Resource。必要時降低 Simulation Complexity 或 Sensor Update Rate。

下載 World 與 Model

可以透過 Gazebo Fuel 取得更多 Gazebo World 與 Model：

Gazebo Fuel

可用內容與 Fuel User Interface 可能會隨時間及 Gazebo Release 而有所不同。

重點整理

• Gazebo 用來模擬 Robot Physics、Sensor 與 Environment；RViz2 則用來視覺化 ROS 2 Data。
• Modern Gazebo 透過 ros_gz Package 與 ROS 2 整合，而不是使用舊版 Gazebo Classic 的 gazebo_ros Workflow。
• ros_gz_bridge 可以在支援的 Gazebo Transport Message 與 ROS 2 Message 之間進行轉換。
• Gazebo Topic Name 會依 Simulation World 與 Model 而變化，因此應實際檢查，不要將 Example Path 寫死。
• 當 ROS 2 Node 需要跟隨 Simulation Time 時，使用 /clock 並設定 use_sim_time=true。
• Gazebo Release 應與 ROS 2 Distribution 及 Target Robotic Suite Environment 相容，不要假設固定使用某一個 Gazebo Version。

下一步

回到 ROS 2 學習地圖，或繼續查看 RViz2、TF2 與 URDF Robot Model，進一步建立或除錯 Simulated Robot System。