2D激光SLAM::AMCL发布的odom----map坐标TF变换解读

AMCL发布的odom----map坐标TF变换解读


一、背景

1、AMCL的作用是什么?

答:AMCL是基于蒙特卡洛定位方法的一种定位方法实现,集成于ROS操作系统的navigation导航包里面,简单来说,AMCL就是得到一个相对准确的机器人的世界坐标。

2、为什么需要AMCL?机器人地盘不是都有里程计和陀螺仪吗?

答:

(1)里程计会有累计误差,即跑远了之后,这个误差会一直叠加,另外,还会出现车轮打滑的现象,这时候的里程计信息就不准确了。

(2)陀螺仪是基于积分型的,也会出现误差。

3、AMCL获取到机器人的世界坐标之后,如何把这个信息传达给navigation导航包的move_base路径规划模块? 

答:这个就涉及到本文要说的,amcl获取到机器人的世界坐标之后,经过一系列变换,最后发布一个tf变换,关于odom-----map两个坐标系的TF变换


 二、关于odom和map坐标系

1、odom

odom指里程计的坐标系,这个坐标系在小车启动底盘的时候建立(即以小车的起点为原点),以小车前进方向为X轴(在ROS中,坐标系是右手,拇指、食指和中指),张开这三个手指,相互垂直,然后食指指向正前方,此时,中指的方向就是Y轴,拇指则是Z轴。

 2、map

map我个人理解为全局地图也就是全局坐标系---global map

global map同样也是在机器人启动的时候建立,坐标系的方向跟odom一致。

到这里就会有疑惑,odom和map两个坐标系不应该就重合了吗?

答:在机器人刚启动的时候,这两个坐标系的确是重合的,但是跑远了之后,由于里程计的误差,会使得odom坐标系与global map坐标系的原点不重合,(个人理解是,按照里程计给出的机器人当前位姿,然后根据这个数据返回,最后机器人返回的地方并非一开始启动时的原点)

刚启动时,

2D激光SLAM::AMCL发布的odom----map坐标TF变换解读_第1张图片

跑远之后,或者车轮打滑了【可以看到,map没有动,这是机器人真正的起点,而odom坐标系的原点已经偏移了,就是说,依照里程计给出的机器人位姿信息,逆着反推回去,只能回到下图红色的odom‘,而不是最初的起点】

2D激光SLAM::AMCL发布的odom----map坐标TF变换解读_第2张图片


 三、如何修正?

发布一个odom----map的TF坐标变换即可

 1、如何发布?

首先需要明确一些必须的信息,要发布这个TF坐标变换,需要得到一个重要的参数---【机器人真实的位姿(世界坐标系下)】但是如何获取,这是AMCL主要解决的事情,这里不过多的关注

1)假定我们得到了base_link在世界坐标系global_map的坐标变换tmp_tf (即base_link在global_map下的坐标)

2)那么tmp_tf.inverse()则表示世界坐标系global_map到base_link的坐标变换(即global_map在base_link下的坐标)

3)由于base_link到odom坐标系的坐标变换是可以直接知道的(即base_link在odom下的坐标)

4)因此,使用tf.transformPose可以获得global_map到odom的变换tmp1_tf,(即global_map原点在odom坐标系下的坐标)

5)最后,对tmp1_tf求逆,得到odom-->map的变换,(即odom在global_map坐标系下的坐标)

6)发布odom-->map即可实现修正

四、AMCL模块关于此TF变换的源码(带注释,可结合上述过程来看)

      //发布最大权重的集群的pose统计值
      pose_pub_.publish(p);
      last_published_pose = p;

      ROS_DEBUG("New pose: %6.3f %6.3f %6.3f",
               hyps[max_weight_hyp].pf_pose_mean.v[0],
               hyps[max_weight_hyp].pf_pose_mean.v[1],
               hyps[max_weight_hyp].pf_pose_mean.v[2]);

      // subtracting base to odom from map to base and send map to odom instead
      // map->odom = map->base_link - base_link->odom
      geometry_msgs::PoseStamped odom_to_map;
      try
      {
        tf2::Quaternion q;
        q.setRPY(0, 0, hyps[max_weight_hyp].pf_pose_mean.v[2]);
        //tmp_tf是base_link在global map下的坐标,即base-->map
        tf2::Transform tmp_tf(q, tf2::Vector3(hyps[max_weight_hyp].pf_pose_mean.v[0],
                                              hyps[max_weight_hyp].pf_pose_mean.v[1],
                                              0.0));

        geometry_msgs::PoseStamped tmp_tf_stamped;
        tmp_tf_stamped.header.frame_id = base_frame_id_;
        tmp_tf_stamped.header.stamp = laser_scan->header.stamp;
        //tmp_tf.inverse()是输入,tmp_tf_stamped.pose是输出
        //tmp_tf_stamped是global map原点在base_link下的坐标,即map-->base
        tf2::toMsg(tmp_tf.inverse(), tmp_tf_stamped.pose);

        //odom_frame_id_ default value is "odom"
        //将global map原点在base_link下的坐标变换成global map原点在odom下的坐标
        //即map-->odom,相当于在odom原点看map原点的位置
        //这里的odom_to_map并非真的odom-->map,而是反过来map-->odom
        this->tf_->transform(tmp_tf_stamped, odom_to_map, odom_frame_id_);
      }
      catch(tf2::TransformException)
      {
        ROS_DEBUG("Failed to subtract base to odom transform");
        return;
      }

      //转换odom_to_map.pose为latest_tf_
      tf2::convert(odom_to_map.pose, latest_tf_);
      latest_tf_valid_ = true;

      if (tf_broadcast_ == true)
      {
        // We want to send a transform that is good up until a
        // tolerance time so that odom can be used
        ros::Time transform_expiration = (laser_scan->header.stamp +
                                          transform_tolerance_);
        //设置tmp_tf_stamped头部信息
        geometry_msgs::TransformStamped tmp_tf_stamped;
        tmp_tf_stamped.header.frame_id = global_frame_id_;
        tmp_tf_stamped.header.stamp = transform_expiration;
        //这个变换就是child_frame_id在parent_frame_id下的坐标
        tmp_tf_stamped.child_frame_id = odom_frame_id_;
        //tmp_tf_stamped这个变换是odom原点在map坐标系的坐标,即odom-->map
        tf2::convert(latest_tf_.inverse(), tmp_tf_stamped.transform);

        //发布
        this->tfb_->sendTransform(tmp_tf_stamped);
        sent_first_transform_ = true;
      }
    }

五、个人仿照AMCL发布的TF变换源码(使用tf包替代了AMCL使用的tf2,感觉tf2比较小众?)

为了方便测试,代码中的真实位姿使用了odom的信息来替代了

#include 
#include 
#include 
#include "ros/ros.h"
#include "sensor_msgs/LaserScan.h"
#include "message_filters/subscriber.h"
#include "tf/message_filter.h"
#include "tf/transform_datatypes.h"
#include "tf/transform_listener.h"
#include "tf/transform_broadcaster.h"
#include "nav_msgs/OccupancyGrid.h"
//#include "tf2/utils.h"
#include "math.h"
//#include "tf2/convert.h"
//#include "tf2_ros/message_filter.h"
using namespace std;

tf::TransformListener *tf_;
tf::TransformBroadcaster *tfb_;
nav_msgs::Odometry::ConstPtr oppp;

// The basic vector
typedef struct
{
  double v[3]={0};
} pose_vector_t;

static double normalize(double z)
{
  return atan2(sin(z),cos(z));
}
static double angle_diff(double a, double b)
{
  double d1, d2;
  a = normalize(a);
  b = normalize(b);
  d1 = a-b;
  d2 = 2*M_PI - fabs(d1);
  if(d1 > 0)
    d2 *= -1.0;
  if(fabs(d1) < fabs(d2))
    return(d1);
  else
    return(d2);
}

// Return a zero vector
pose_vector_t pose_vector_zero()
{
  pose_vector_t c;

  c.v[0] = 0.0;
  c.v[1] = 0.0;
  c.v[2] = 0.0;

  return c;
}

void pose_vector_setValue(pose_vector_t * c,double x,double y,double yaw)
{
    double *v;
    v=c->v;
    *v=x;
    v++;
    *v=y;
    v++;
    *v=yaw;
    //c->(v+1)=y;
    //*c->(v=yaw;
}

pose_vector_t lastPose_v;
tf::Transform lastTransfrom_map_in_odom;

void odomMsgCallback(const nav_msgs::Odometry::ConstPtr &odomMsg){

    static bool init=false;
    static double delta_x=0;
    static bool forward=true;
    ros::Duration transform_tolerance_;
    transform_tolerance_.fromSec(0.1);
    //位姿偏移量初始化
    pose_vector_t delta = pose_vector_zero();
    lastTransfrom_map_in_odom=tf::Transform(tf::createQuaternionFromRPY(0, 0, 0),
            tf::Vector3(0, 0, 0));

    if(!init){
        init=true;
        pose_vector_setValue(&lastPose_v,
                             odomMsg->pose.pose.position.x,
                             odomMsg->pose.pose.position.y,
                             tf::getYaw(odomMsg->pose.pose.orientation));

    }else{
        delta.v[0] = odomMsg->pose.pose.position.x - lastPose_v.v[0];
        delta.v[1] = odomMsg->pose.pose.position.y - lastPose_v.v[1];
        delta.v[2] = angle_diff(tf::getYaw(odomMsg->pose.pose.orientation), lastPose_v.v[2]);

        //判断位移偏移量是否大于阈值
        if(true/*sqrt(pow(delta.v[0],2)+pow(delta.v[1],2))>=0*/){

            /******************发布坐标变换**********************************/
            //取odom获取的位姿作为真实位姿
            pose_vector_t truePose_v;
            truePose_v.v[0]=odomMsg->pose.pose.position.x+delta_x;
            truePose_v.v[1]=odomMsg->pose.pose.position.y;
            truePose_v.v[2]=tf::getYaw(odomMsg->pose.pose.orientation);

            tf::Stamped map_in_odom;
            tf::Stamped odom_in_map;
            //tf::Transform map_in_odom;
            try{
                //创建一个基于global map的坐标
                tf::Stamped ident(tf::Transform(tf::createQuaternionFromRPY(0, 0, truePose_v.v[2]),
                                                          tf::Vector3(truePose_v.v[0], truePose_v.v[1], 0)),odomMsg->header.stamp, "map");
                //创建上面坐标的逆,即global map原点在Base_link坐标系下的坐标
                tf::Stamped tmp(ident.inverse(),odomMsg->header.stamp, "base_link");
                //然后将该坐标转换到odom坐标系下
                //得到的map_in_odom是 global map原点在odom坐标系下的坐标
                tf_->transformPose("odom", tmp, map_in_odom);

                //求逆变换
                //得到的odom_in_map是 odom坐标原点在global map坐标系下的坐标
                //即得到从odom坐标系到global map坐标系的变换矩阵
                odom_in_map.setData(map_in_odom.inverse());
                odom_in_map.frame_id_="map";
                odom_in_map.stamp_=odomMsg->header.stamp+transform_tolerance_;

                ROS_INFO("calculate odom in map success");
                ROS_INFO("odom in map x:[%f] y:[%f] yaw:[%f]",
                         odom_in_map.getOrigin().x(),
                         odom_in_map.getOrigin().y(),
                         odom_in_map.getRotation().getAngle());

                ROS_INFO("now send the TF Broadcast odom_in_map");

                tfb_->sendTransform(tf::StampedTransform(odom_in_map,odom_in_map.stamp_,"map","odom"));

                lastTransfrom_map_in_odom=odom_in_map;

            }catch(tf::TransformException e){
                ROS_WARN("Failed to compute odom pose, skipping scan (%s)", e.what());
                return ;
            }
//            ROS_INFO("now send the TF Broadcast odom_in_map");
//            odom_in_map.setData(tf::Transform(tf::createQuaternionFromRPY(0, 0, 0),
//                                                          tf::Vector3(0, 0, 0)));
//            odom_in_map.frame_id_="map";
//            odom_in_map.stamp_=odomMsg->header.stamp+transform_tolerance_;
//            tfb_->sendTransform(tf::StampedTransform(odom_in_map,odom_in_map.stamp_,"map","odom"));
            if(delta_x<=0){
                forward=true;
            }
            if(delta_x>=10){
                forward=false;
            }
            if(forward)
                delta_x+=0.02;
            else
                delta_x-=0.02;

//            pose_vector_setValue(&lastPose_v,
//                                 odomMsg->pose.pose.position.x,
//                                 odomMsg->pose.pose.position.y,
//                                 tf::getYaw(odomMsg->pose.pose.orientation));
        }else{
            //位移偏移量没有达到阈值
            //发布之前的变换
            ROS_INFO("now send the TF Broadcast odom_in_map");
            tfb_->sendTransform(tf::StampedTransform(lastTransfrom_map_in_odom,odomMsg->header.stamp+transform_tolerance_,"map","odom"));
        }
    }

//    tf::Stamped odom_in_map;
//    tfb_->sendTransform(tf::StampedTransform(odom_in_map,odom_in_map.stamp_,"map","odom"));

}

int main(int argc, char **argv)
{
    ros::init(argc, argv, "publish_tf_node");
    ros::NodeHandle nh;

    tf_=new tf::TransformListener;
    tfb_=new tf::TransformBroadcaster;
    message_filters::Subscriber* odom_sub_;
    //message_filters::Subscriber* scan_sub_;
    tf::MessageFilter* odom_filter_;

    // Subscribers
    //订阅"odom"
    ROS_INFO("subscribed the topic \"odom\" ");
    odom_sub_ = new message_filters::Subscriber(nh, "odom", 100);
    //odom_sub_->registerCallback(odomMsgCallback/*boost::bind(odomMsgCallback, this, _1)*/);
    odom_filter_ =new tf::MessageFilter(*odom_sub_, *tf_, "base_link", 100);
    odom_filter_->registerCallback(odomMsgCallback);
    ros::spin();

}

 

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