（古月居）ROS 21讲笔记（四）

1.tf 坐标系统

1.1 ROS 中的坐标系管理系统

• 机器人中的坐标变换
  位置描述：${}^{B}P=\left[\begin{array}{c}{p}_x\\ p_y\\ p_z\end{array}\right]$表示在坐标系{ B }中的$P$点的位置，$p_x,p_y,p_z$分别表示沿$x,y,z$轴的坐标
  旋转矩阵：${}_B^{A}R=\left[\begin{array}{ccc}{}^A\hat{X}& {}^A\hat{Y}& {}^A\hat{Z}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{r}_{11}& r_{12}& r_{13}\\ r_{21}& r_{22}& r_{23}\\ r_{31}& r_{32}& r_{33}\end{array}\right]$ 表示从坐标系{ B }旋转到坐标系{ A }的旋转矩阵，其中$\hat{X}，\hat{Y}，\hat{Z}$表示坐标系$B$主轴方向的单位矢量
  平移向量：${}^A{P}_{BORG}=\left[\begin{array}{c}{p}_{xb}-p_{xa}\\ p_{yb}-p_{ya}\\ p_{zb}-p_{za}\end{array}\right]$ 表示将从坐标系{ A }的原点到坐标系{ B }的原点的平移向量
  变换矩阵：$${}_B^{A}P=\left[\begin{array}{cc}{}_B^{A}R& {}^A{P}_{BORG}\\ 000& 1\end{array}\right]$$
  $${}^{A}P{=}_B^A{T}^{B}P$$
  

• tf 功能包
  1、能确定某个坐标在全局坐标中的位置
  2、能确定物体坐标相对于机器人中心坐标系的位置
  3、能确定机器人中心坐标系相对于全局坐标系的位置
  tf 坐标变换可以通过广播TF变换、监听TF变换实现

• 小海龟跟随实验

$ sudo apt-get install ros-melodic-turtle-tf
$ roslaunch turtle_tf turtle_tf_demo.launch 
$ rosrun turtlesim turtle_teleop_key 
$ rosrun tf view_frames 
// 命令行工具
$ rosrun tf tf_echo turtle1 turtle2
// 可视化工具
$ rosrun rviz rviz -d`rospack find turtle_tf`/rviz/turtle_rviz.rv

1.2 tf 坐标系广播与监听的编程实现

• 创建功能包

$ cd ~/catkin_new_ws/src/
$ catkin_create_pkg my_tf roscpp rospy turtlesim

• 创建 tf 广播器代码

// 定义 TF 广播器
// 创建坐标变换值
// 发布坐标变换

// 该例程产生tf数据，并计算、发布turtle2的速度指令

#include 
#include 
#include 

std::string turtle_name;

void poseCallback(const turtlesim::PoseConstPtr& msg)
{
	// 创建tf的广播器
	static tf::TransformBroadcaster my_broadcaster;

	// 初始化tf数据
	tf::Transform transform;
	transform.setOrigin( tf::Vector3(msg->x, msg->y, 0.0) );  // 只有平面x,y 没有z
	tf::Quaternion quat;
	quat.setRPY(0, 0, msg->theta);  //R:翻滚角 与 P：俯仰角都为0 只有偏航角
	transform.setRotation(quat);

	// 广播world与海龟坐标系之间的tf数据
	my_broadcaster.sendTransform(tf::StampedTransform(transform, ros::Time::now(), "world", turtle_name));
}

int main(int argc, char** argv)
{
    // 初始化ROS节点
	ros::init(argc, argv, "my_tf_broadcaster");

	// 输入参数作为海龟的名字
	if (argc != 2)
	{
		ROS_ERROR("need turtle name as argument"); 
		return -1;
	}

	turtle_name = argv[1];

	// 订阅海龟的位姿话题
	ros::NodeHandle node;
	ros::Subscriber sub = node.subscribe(turtle_name+"/pose", 10, &poseCallback);

    // 循环等待回调函数
	ros::spin();

	return 0;
};

• 创建 tf 监听器代码

// 定义 TF 监听器
// 查找坐标变换

// 该例程监听tf数据，并计算、发布turtle2的速度指令

#include 
#include 
#include 
#include 

int main(int argc, char** argv)
{
	// 初始化ROS节点
	ros::init(argc, argv, "my_tf_listener");

    // 创建节点句柄
	ros::NodeHandle node;

	// 请求产生turtle2
	ros::service::waitForService("/spawn");
	ros::ServiceClient add_turtle = node.serviceClient("/spawn");
	turtlesim::Spawn srv;
	add_turtle.call(srv);

	// 创建发布turtle2速度控制指令的发布者
	ros::Publisher turtle_vel = node.advertise("/turtle2/cmd_vel", 10);

	// 创建tf的监听器
	tf::TransformListener listener;

	ros::Rate rate(10.0);
	while (node.ok())
	{
		// 获取turtle1与turtle2坐标系之间的tf数据
		tf::StampedTransform transform;
		try
		{
			listener.waitForTransform("/turtle2", "/turtle1", ros::Time(0), ros::Duration(3.0));
			listener.lookupTransform("/turtle2", "/turtle1", ros::Time(0), transform);
		}
		catch (tf::TransformException &ex) 
		{
			ROS_ERROR("%s",ex.what());
			ros::Duration(1.0).sleep();
			continue;
		}

		// 根据turtle1与turtle2坐标系之间的位置关系，发布turtle2的速度控制指令
		geometry_msgs::Twist vel_msg;
		vel_msg.angular.z = 2.0 * atan2(transform.getOrigin().y(),
				                        transform.getOrigin().x());
		vel_msg.linear.x = 2.0 * sqrt(pow(transform.getOrigin().x(), 2) +
				                      pow(transform.getOrigin().y(), 2));
		turtle_vel.publish(vel_msg);

		rate.sleep();
	}
	return 0;
};

• 配置 tf 广播器与监听器代码编译规则

// 添加包
find_package(...tf...)

// 设置需要编译的代码和生成的可执行文件
add_executable(my_turtle_tf_broadcaster src/my_turtle_tf_broadcaster.cpp)
add_executable(my_turtle_tf_listener src/my_turtle_tf_listener.cpp)

// 设置链接库 
target_link_libraries(my_turtle_tf_broadcaster ${catkin_LIBRARIES})
target_link_libraries(my_turtle_tf_listener ${catkin_LIBRARIES})

• 编译运行

// 打开第一个终端
$ cd ~/catkin_new_ws
$ catkin_make
$ source devel/setup.bash
$ roscore

// 打开第二个终端
rosrun turtlesim turtlesim_node

// 打开第三个终端
$ cd ~/catkin_new_ws
$ source devel/setup.bash 
$ rosrun my_tf my_turtle_tf_broadcaster __name:=turtle1_tf_broadcaster /turtle1

// 打开第四个终端
$ cd ~/catkin_new_ws
$ source devel/setup.bash 
$ rosrun my_tf my_turtle_tf_broadcaster __name:=turtle2_tf_broadcaster /turtle2

// 打开第五个终端
$ cd ~/catkin_new_ws
$ source devel/setup.bash 
$ rosrun my_tf my_turtle_tf_listener 

// 打开第六个终端
$ rosrun turtlesim turtle_teleop_key

2.launch 启动文件的使用方法

• Launch 文件：通过 XML 文件实现多节点的配置和启动（可自动启动 ROS Master）
• Launch 文件语法：

：launch 文件的根元素采用 标签定义
：  启动节点
            
             pkg：节点所在的功能包名称
             type：节点的可执行文件名称
             name：节点运行时的名称
             output、respawn、required、ns、args

• 设置参数

/   

// 设置 ROS 系统运行中的参数，存储在参数服务器中。

// name：参数名    value：参数值

// 加载参数文件中的多个参数：

// launch 文件内部的局部变量，仅用于 launch 文件使用

// name：参数名    value：参数值

// 调用

• 重映射

// 重映射 ROS 计算图资源的命名

// from：原命名   to：映射之后的命名

• 嵌套

// 包含其他 launch 文件，类似 C 语言中的头文件包含

// file：包含的其他 launch 文件路径

• 示例

• simple.launch

• start_tf_demo_c++.launch

• turtlesim_parameter_config.launch

• turtlesim_remap.launch

3.常用可视化工具的使用

3.1 QT工具箱

• 日志输出工具 – rqt_console

// 打开方式
$ roscore
$ rqt_console

• 计算图可视化工具 – rqt_graph

// 打开方式
$ roscore
$ rqt_graph

• 数据绘图工具 – rqt_plot

// 打开方式
$ roscore
$ rqt_plot

• 图像渲染工具 – rqt_image_view

// 打开方式
$ roscore
$ rqt_image_view

3.2 Rviz

• Rviz是一款三维可视化工具，可使用可扩展标记语言 XML 对机器人、周围物体等任何实体进行尺寸、质量、位置、材质、关节等属性的描述，并且在界面呈现出来
• 还可以通过图像化的方式，实时显示机器人传感器信息、机器人运动状态、周围环境信息的变化等

打开方式
$ roscore
$ rviz

3.3 Gazebo

• gazebo是一款功能强大的三维物理仿真平台，可以测试机器人算法、进行机器人的设计以及现实情境下的回溯测试

// 打开方式
$ roscore
$ gazebo