robot-notes /模擬/SDF 3D 模型檔:從零開始

SDF 3D 模型檔:從零開始,看懂 Gazebo 的模型在描述什麼

要在 Gazebo 裡擺一台機器人、一個倉庫,你會碰到「SDF 模型」「mesh」「visual / collision」這些詞。這篇假設你完全沒接觸過 3D 模型,從最底層講起:一個模型檔到底在描述什麼、為什麼這樣分、自己怎麼弄一個出來。

延伸:用 Gazebo + ROS2 模擬 AMR、Gazebo 叉車搬運專案。

1. 3D 模型是什麼:一堆三角形

電腦裡的 3D 物體,說穿了是一堆三角形拼出來的表面。

空間中的點叫頂點(vertex),每個有 x, y, z 座標。
三個頂點連成一個三角形,叫面(face)。
成千上萬個面拼起來,蒙出物體的外殼,這個外殼叫 mesh(網格)。

比喻:像用鐵絲折出骨架再蒙一層皮。電腦只存這層皮(表面),裡面是空心的。

頂點連成三角形面,很多面拼成 mesh 外殼;電腦只存表面,裡面空心

2. 模擬裡,一個物件要有「三種身份」

光有形狀不夠。Gazebo 要讓物體看得到、撞得到、會照物理動,所以一個模型要描述三層:

身份	給誰	通常長怎樣
visual 外觀	眼睛 / 相機	精緻 mesh + 顏色貼圖
collision 碰撞	物理引擎算「撞到沒」	故意用簡化形狀(方塊、圓柱),省算力
inertial 質量	物理引擎算「推它怎麼動」	質量 + 慣性(重量分布)

關鍵直覺:visual 跟 collision 常常不一樣。外觀要細才好看,但讓物理引擎逐個三角形算碰撞太慢,所以碰撞體用一個大方塊或圓柱框住就好。

同一台搬運車三種身份:visual 精緻外觀、collision 簡化方塊框、inertial 質心與重量分布

3. SDF 是什麼

SDF(Simulation Description Format)就是一個 XML 文字檔,把上面三層用標籤寫下來。 它是 Gazebo 的原生格式。

(你可能也聽過 URDF——那是 ROS 描述機器人的格式,概念幾乎一樣;Gazebo 載入 URDF 時內部會轉成 SDF。先記「SDF = Gazebo 的身家資料表」就好。)

4. 一個模型資料夾長怎樣

my_table/
├── model.config        # 名片:模型叫什麼、作者、版本
├── model.sdf           # 主檔:visual / collision / inertial 都寫這
└── meshes/
    └── table.dae       # 實際的 3D 形狀檔(mesh)

5. mesh 檔格式速覽(形狀存成什麼檔)

副檔名	特點
.stl	只有形狀、沒顏色;3D 列印、簡單碰撞體常用
.dae(COLLADA)	形狀 + 顏色 + 貼圖;Gazebo 最常用的 visual
.obj	通用,常見下載格式
.glb / .gltf	現代格式、壓縮好,新版 Gazebo 愛用

6. 最小範例:一個紅色方塊(不需外部 mesh)

<?xml version="1.0"?>
<sdf version="1.7">
  <model name="box">
    <link name="link">
      <inertial>                                  <!-- 秤重 -->
        <mass>1.0</mass>
        <inertia><ixx>0.16</ixx><iyy>0.16</iyy><izz>0.16</izz>
                 <ixy>0</ixy><ixz>0</ixz><iyz>0</iyz></inertia>
      </inertial>
      <collision name="col">                       <!-- 撞的:方塊 -->
        <geometry><box><size>1 1 1</size></box></geometry>
      </collision>
      <visual name="vis">                          <!-- 看的:方塊,塗紅 -->
        <geometry><box><size>1 1 1</size></box></geometry>
        <material><ambient>1 0 0 1</ambient></material>
      </visual>
    </link>
  </model>
</sdf>

形狀用內建的 <box>,不必外部 mesh。內建形狀還有 <sphere>、<cylinder>、<plane>。

7. 用外部 mesh + 從哪拿 + 怎麼打包

把 <box> 換成指向 mesh 檔:

<geometry><mesh><uri>model://my_table/meshes/table.dae</uri></mesh></geometry>

所以「從網路抓一個模型放進 Gazebo」的流程是:下載 mesh → 放進 meshes/ → 寫 model.sdf 包成 visual + 一個簡化 collision + 估一個 inertial → 寫 model.config。

常用來源:

Gazebo Fuel(app.gazebosim.org)——別人已經包好整包 SDF,Gazebo 裡直接搜尋 insert,最省事。
Poly Haven(polyhaven.com)——CC0 免費素材(見下節),要自己打包。

8. Poly Haven 上三種東西別搞混:HDRIs / Textures / Models

Poly Haven 首頁分三類,新手最容易混。對照前面的概念就清楚了:

類別	是什麼	在場景裡的角色	對應本文
HDRIs	一張 360° 全景環境圖(高動態範圍)	場景的打光 + 背景天空;套上去物體才有真實光照與反射	world 等級,不是單一物體
Textures	可平鋪的表面材質(木紋、磚牆、金屬、地板),一組常含顏色 / 法線 / 粗糙度多張圖	貼到 mesh 表面的「皮膚花紋」	§2 的 visual 材質 / 貼圖
Models	真正的 3D 物體(椅子、植物、工具),含 mesh + 已套好的材質	直接能放進場景的東西	§1 的 mesh + §2 三層

一句話分辨:Models 是「物體」、Textures 是「貼在物體表面的花紋」、HDRIs 是「整個場景的光跟天空」。要擺一台車就找 Models;要讓地板像水泥就找 Textures;要場景光照真實就掛一張 HDRI。

9. 實戰:一台最簡單的搬運車 AMR(差速 + LiDAR)

⚠ 下面的範例用的是 Gazebo Classic 的 plugin 語法(libgazebo_ros_*.so)。上一篇講過 Classic 已 EOL、新專案應該用 gz sim——這裡保留 Classic 寫法是因為網路上找得到的現成範例多半長這樣,看得懂它才能判斷一份教學是不是過時的。新版對應的寫法見該篇 §2。

我們不用現成的 TurtleBot3,自己搭一台差速搬運車(呼應送餐 / 倉儲 AMR 的底盤)。一台能在 Gazebo 裡跑 SLAM 的搬運車,SDF 至少要這些零件:

零件	用	說明
`base_link`(車體)	box	visual + collision + inertial
左 / 右驅動輪	cylinder + `revolute` joint	兩輪獨立轉 = 差速
caster(萬向輪)	sphere + 低摩擦	撐住車尾,被動
2D LiDAR	`<sensor type="ray/gpu_lidar">`	發 `/scan` 給 SLAM
差速外掛	`diff_drive` plugin	收 `/cmd_vel`、發 `/odom` 與 TF

兩個關鍵片段(Gazebo Classic / gazebo_ros):

<!-- 車體頂上的 2D LiDAR,發 /scan -->
<link name="lidar_link">
  <sensor name="lidar" type="ray">
    <ray><scan><horizontal>
      <samples>360</samples><min_angle>-3.14</min_angle><max_angle>3.14</max_angle>
    </horizontal></scan>
      <range><min>0.12</min><max>12.0</max></range>
    </ray>
    <plugin name="laser" filename="libgazebo_ros_ray_sensor.so">
      <ros><remapping>~/out:=scan</remapping></ros>
      <output_type>sensor_msgs/LaserScan</output_type>
    </plugin>
  </sensor>
</link>

<!-- 差速驅動:收 /cmd_vel,發 /odom + TF -->
<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>0.40</wheel_separation>   <!-- 輪距 b -->
  <wheel_diameter>0.13</wheel_diameter>
  <odometry_frame>odom</odometry_frame>
  <robot_base_frame>base_link</robot_base_frame>
</plugin>

有了 /scan(LiDAR)和 /odom(差速里程)這兩個輸出,就能餵給 slam_toolbox 建圖。完整 .sdf(每個 link 的 inertia、joint、輪子摩擦)會在實際跑 Gazebo 那輪一起補齊並驗證——這台搬運車就是接下來 AWS Small Warehouse SLAM 場景要用的機器人。

版本提醒:上面是 Gazebo Classic(libgazebo_ros_*) 的 plugin 名;新版 Gazebo(gz sim) 改用 gz-sim-diff-drive-system 等,標籤略不同。實際用哪個,看你機器的 Gazebo 版本(見 simulation 篇)。

名詞說明

mesh(網格) — 由頂點與三角形面拼成的物體表面;電腦只存表面,內部空心。
visual / collision / inertial — 一個模型的三層:外觀 / 碰撞形狀 / 質量慣性。
SDF(Simulation Description Format) — Gazebo 描述模型與世界的 XML 格式;URDF 是 ROS 端對應格式,載入時轉 SDF。
HDRI — 360° 環境光照圖,給場景打光與背景,非單一物體。
Texture(材質貼圖) — 貼在 mesh 表面的表面花紋(色彩 / 法線 / 粗糙度等)。
diff_drive plugin — 差速底盤外掛,收 /cmd_vel、發 /odom 與 TF。

來源

SDF 規格:http://sdformat.org/
Gazebo Fuel 模型庫:https://app.gazebosim.org/(API 端點 https://fuel.gazebosim.org/1.0/models;/fuel 深層路徑 2026-08-05 實測 404,見模擬資產來源)
Poly Haven(CC0 HDRIs / Textures / Models):https://polyhaven.com/

模擬

本頁