SDFormat

定义

SDFormat 是一种用于描述机器人仿真场景的 XML 文件格式，后缀名为 .sdf，根元素为 sdf，并通过 version 属性标明所遵循的规范版本^[2]。它既能描述单个机器人，也能描述机器人所处的完整环境，包括地面、光照、地形、风、大气以及物理引擎参数^[1]。

在 SDFormat 的术语体系中，SDFormat 指规范本身，SDF 是它的同义缩写；但官方建议优先使用 SDFormat 这一写法，因为 SDF 这一缩写在其他领域还有别的含义^[2]。规范与实现是两件事：规范定义字段与语义，解析实现则由同仓库维护的 libsdformat 提供，该库读取 SDF 文件并返回 C++ 接口^[3]。

原理

SDFormat 采用嵌套标签的树形结构。一个模型由 model 标签作为具名容器，内部包含若干 link 与 joint；link 表示具名刚体，joint 表示两个刚体之间的运动学约束，其 type 属性可取 fixed、revolute、prismatic、ball、universal、screw、continuous 等类型，分别对应不同的剩余自由度数量^[4]。joint 通过 parent 与 child 标签引用模型内的 link 名称，从而确定父子关系^[4]。

位姿由 pose 标签给出，形式为一组三维平移量加一组三维姿态角，默认使用弧度；较新的规范允许通过 degrees 属性改用角度，或用 rotation_format 属性在欧拉角与四元数之间切换^[5]。模型进入世界时必须指定一个规范链接(canonical link)，模型的隐式坐标系附着于该链接；若未显式指定，则取模型中的第一个 link^[6]。

从规范 1.7 起，SDFormat 引入完整的坐标系语义，区分世界坐标系、模型坐标系、链接坐标系与关节坐标系，并用 pose 的 relative_to 属性与 frame 的 attached_to 属性显式声明参照关系^[6]。名称的作用域也随之划分：每个模型拥有独立的模型作用域，世界另有世界作用域，因此不同模型内部的同名链接不会相互冲突^[6]。

物理引擎相关设置集中写在 physics 标签中，可以指定摩擦模型等参数；从规范 1.6 起，gravity 与 magnetic_field 两个元素由 physics 移到了 world 之下。规范 1.11 还引入了 inertial 的 auto 属性，允许在给定碰撞几何与密度的前提下自动推算质量与转动惯量^[5]。

发展历程

SDFormat 最初是为科学机器人应用设计的，作为 Gazebo 机器人仿真器的一部分出现^[1]。为了让相关库能被其他项目复用、也让 Gazebo 更加模块化，这些组件后来从 Gazebo 中拆出独立发布，SDFormat 规范与解析库同处一个代码仓库^[7]。规范版本号写在 sdf 元素的 version 属性中，例如 1.4、1.5、1.6，与 libsdformat 库的版本号(如 2.3、3.0、4.0)是两套独立的编号体系。

早期 Gazebo 各版本与规范、库版本之间存在对应关系：Gazebo 2.2 使用的库版本在 1.4.7 与 2.0 之间，支持到规范 1.5；Gazebo 7 对应库版本 4.1.0 以上、5.0 以下，支持到规范 1.6；Gazebo 11 使用的库版本为 SDFormat 9，支持到规范 1.7^[8]。

规范后续版本逐步扩展表达能力：1.7 版增加了坐标系语义，1.8 版增加了模型组合，1.9 版增加了以角度或四元数表示姿态的新方式，1.10 版增加了合并式 include、世界中的 joint 以及流体附加质量，1.11 版加入转动惯量的自动计算^[5]。兼容性方面，仓库中提供了 .convert 转换文件，可以把旧版本文件向前迁移。随着 Gazebo 生态的演进，相关命名空间由 ignition 改为 gz，旧命名空间被标记为废弃^[9]。

应用

SDFormat 最主要的使用场景是 Gazebo 仿真器，Gazebo 用它描述仿真的每一个方面^[7]。用它可以描述简单轮式底盘，也可以描述人形机器人，除运动学与动力学属性外还能定义传感器、表面属性、纹理、关节摩擦等参数，因此同一份描述可同时服务于仿真、可视化、运动规划与控制^[1]。

在 ROS 2 生态中，SDFormat 与 URDF 常配合使用。sdformat-urdf 软件包提供 C++ 库与 urdf_parser_plugin，可以把 SDFormat XML 转换为 URDF 数据结构，从而让 robot_state_publisher 一类的工具直接以 SDF 作为机器人描述^[10]。反向转换同样可行：借助 Gazebo Sim 自 Garden 版起提供的 gz sdf 命令，可以把 URDF 模型转成 SDF^[11]。

围绕 SDFormat 还出现了第三方工具与转换器。ROD 是一个基于 SDFormat 规范处理机器人描述的 Python 库，支持规范 1.10 及以上版本，提供序列化、反序列化、类型校验与从 Python 以编程方式生成 SDF 文件等能力^[11]。此外还有 sdformat-mjcf 库，用于在 SDFormat 与 MuJoCo 的 MJCF 格式之间双向转换模型、世界、关节、传感器与材质^[12]。

局限

SDFormat 规范版本与 libsdformat 库版本分属两套编号，二者并不一一对应，这给使用者判断某个仿真器支持哪些字段带来了额外成本^[13]。由于规范允许存在多个历史版本，不同版本的转换与升级需要依赖仓库中的转换文件来完成。

与 URDF 相比，SDFormat 对机器人控制与规划类软件的支持一度不够完整。有开发者指出，早期版本缺少用于表示六轴力/力矩传感器的固定关节、缺少可用于控制与规划的纯运动学坐标系，且官方解析库依赖 Boost 库，在 Windows 上部署不便；其中固定关节与 Boost 依赖问题后来已分别解决^[14]。

文件层面的互通也有边界。SDFormat 适合描述完整世界并支持多模型，而 URDF 只描述单台机器人，两者虽同为 XML，但底层是两套独立标准，不能直接把 SDF 文件交给只识别 URDF 的可视化工具使用^[15]。