ROS学习笔记（5）： TF（Transform）坐标转换和原理分析

目录

6 TF

6.1 TF/TF tree格式规范

6.2 TF相关工具命令

6.3 TF原理

6.3.1 ROS坐标系

6.3.2 坐标系分类

6.3.3  setup Robot TF

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6 TF

TF是ROS里的一个基本的也是很重要的概念, TF(TransForm)，就是坐标转换．

tf本质是树状的数据结构，所以我们通常称之为"tf tree", tf也可以看成是一个topic: /tf ，话题中的message保存的就是tf tree的数据结构格式．维护了整个机器人的甚至是地图的坐标转换关系．

6.1 TF/TF tree格式规范

TransformStamped.msg的格式规范如下：

std_mags/Header header
    uint32 seq
    time stamp
    string frame_id
string child_frame_id
geometry_msgs/Transform transform
    geometry_msgs/Vector3 translation
        float64 x
        float64 y
        float64 z
    geometry_msgs/Quaternion rotation
        float64 x
        float64 y
        flaot64 z
        float64 w

首先header定义了序号，时间以及frame的名称．接着还写了child_frame，这两个frame之间要做那种变换就是由geometry_msgs/Transform来定义．Vector3三维向量表示平移，Quaternion四元数表示旋转．

最终，许多的TransformStamped.msg发向tf，形成了TF树。

 

TF tree是由很多的frame之间TF拼接而成。那么TF tree是什么类型呢？如下：

• tf/tfMessage.msg
• tf2_msgs/TFMessage.msg

这里TF的数据类型有两个，主要的原因是版本的迭代。自ROS Hydro以来，tf第一代已被“弃用”，转而支持tf2。

如何查看自己使用的TF是哪一个版本，使用命令 rostopic info /tf 即可。

tf/tfMessage.msg或tf2_msgs/TFMessage标准格式规范如下:

geometry_msgs/TransformStamped[] transforms
    std_mags/Header header
        uint32 seq
        time stamp
        string frame_id
    string child_frame_id
    geometry_msgs/Transform transform
        geometry_msgs/Vector3 translation
            float64 x
            float64 y
            float64 z
        geometry_msgs/Quaternion rotation
            float64 x
            float64 y
            flaot64 z
            float64 w

一个TransformStamped数组就是一个TF tree。

6.2 TF相关工具命令

• 根据当前的tf树创建一个pdf图:

        $ rosrun tf view_frames

       这个工具首先订阅 /tf ，订阅5秒钟，根据这段时间接受到的tf信息，绘制成一张tf tree，然后创建成一个pdf图。

• 查看当前的tf树:

       $ rosrun rqt_tf_tree rqt_tf_tree

       该命令同样是查询tf tree的，但是与第一个命令的区别是该命令是动态的查询当前的tf tree,当前的任何变化都能当即看到，例如何时断开何时连接，捕捉到这些然后通过rqt插件显示出来。

• 查看两个frame之间的变换关系：

      $ rosrun tf tf_echo[reference_frame][target_frame]

6.3 TF原理

6.3.1 ROS坐标系

• ROS的坐标系统使用 右手定义 ：

所以，对于 ROS 机器人，如果以它为坐标系的原心，那么：

• x轴：前方

• y轴：左方

• z轴：上方

 

• 在一个绕轴线上的旋转，也使用 右手定义：

 

用右手握住坐标轴，大拇指 的方向朝着坐标轴朝向的正方向，四指环绕的方向定义沿着这个坐标轴旋转的正方向

根据右手定义，围绕 z轴正旋转 是 逆时针旋转

1. 绕 Z轴 旋转，称之为 航向角，使用yaw表示;
2. 绕 X轴 旋转，称之为 横滚角，使用roll表示;
3. 绕 Y轴 旋转，称之为 俯仰角，使用pitch表示;

举例:

    我们通常用来表述小车运动的二维平面指的是 X-Y平面，也就是X轴和Y轴组成的平面，在这个平面中，用来描述 小车转弯的角就是绕Z轴的旋转，也就是经常说的航向角。Z轴朝上，所以按照右手法则可以知道小车向 左转为正，右转为负。

• 坐标系定义

       空间中的同一位置，在不同坐标系下，其坐标值也不相同。

 

在上图中，有两个坐标系，分别为坐标系A和坐标系B，其中 橘红色坐标轴表示X轴(朝前)，蓝色坐标轴表示Y轴(朝左)。对于坐标系A中，粉色的圆点的坐标为**(3, -3)，对于坐标系B中，粉色的圆点的坐标为(5, 1)**

• 测量单位：

ROS使用公制 ：

          > 线速度：m/s

         >  角速度：rad/s

线速度=0.5m/s 对于一个室内机器人来说是一个相当快的速度了。角速度=1.0rad/s 就是旋转一圈6秒钟。

Refer to:

https://www.cnblogs.com/hiram-zhang/p/10392877.html

https://blog.csdn.net/shixiaolu63/article/details/78496457

https://blog.csdn.net/autolabor/article/details/85120806

 

6.3.2 坐标系分类

一个机器人系统中通常会有多个三维参考坐标系，而且这些坐标系之间的相对关系随时间推移会变化。这里举一个实际的机器人应用场景例子，来说明这种关系和变化

1. 全局世界坐标系：通常为激光slam构建出来的栅格地图的坐标系map。
2. 机器人底盘坐标系：通常为机器人底盘的坐标系base_footprint或者base_link。
3. 机器人上各部件自己的坐标系：比如激光雷达、imu等传感器自己的坐标系base_laser_link、imu_link。

这些坐标系之间的关系有些是静态的、有些是动态的。当机器人底盘移动的过程中，机器人底盘与世界的相对关系map->base_footprint是动态的；

而安装在机器人底盘上的激光雷达、imu这些传感器与机器人底盘的相对关系base_footprint->base_laser_link、base_footprint->imu_link是静态的。

 

6.3.3  setup Robot TF

http://wiki.ros.org/navigation/Tutorials/RobotSetup/TF

https://www.ros.org/reps/rep-0105.html