ROS入门--tf坐标系统

古月老师ROS入门21讲的学习笔记

机器人中的坐标变换

TF功能包能干什么

1.管理所有坐标系，所有坐标系底层数学逻辑都封装好了。
2.有时间属性，默认记录10s内所有坐标变换关系。

TF坐标变换如何实现

1.广播TF变换
2.监听TF变换
广播–监听机制，在ROS Master中启动tf之后，在后面维护着tf树，通过查询树来查询到坐标变换。

tf坐标变换–海龟例子

$ sudo apt-get install ros-melodic-turtle-tf
$ roslaunch turtle_tf turtle_tf_demo.launch
$ rosrun turtlesim turtle_teleop_key
$ rosrun tf view_frames

1.roslaunch是用来启动一个.launch文件，包含许多节点，是一个脚本文件。后面可以通过编程来实现。
2.view_frames工具可以可视化看到所有tf关系。在打开终端的目录下输出一个frames.pdf文件。可以看到当前tf系统关系：world表示全局坐标系，表示整个仿真器的0点；turtle1和turtle2分别抽象为1个坐标系。

3.利用tf_echo命令行工具可以查看坐标系之间位置关系。分别有Translation和Rotation变换记录。

$ rosrun tf_echo turtle1 turtle2

4.利用rviz可视化工具查看。

$ rosrun rviz rviz -d `rospack find turtle_tf` /rviz/turtle_rivz.rivz

tf广播&监听编程实现

创建功能包

$ cd ~/catkin_ws/src
$ catkin_create_pkg learning_tf roscpp rospy tf turtlesim

tf广播器代码

在功能包的/src下创建turtle_tf_broadcaster.cpp实现一个tf广播器：
1.定义TF广播器TransformBroadcaster
2.创建坐标变换值
3.发布坐标变换sendTransform

#include 
#include 
#include 
std::string turtle_name;
void poseCallback(const turtlesim::PoseConstPtr& msg)
{
	// 创建tf的广播器
	static tf::TransformBroadcaster br;
	// 初始化tf数据
	tf::Transform transform;
	transform.setOrigin( tf::Vector3(msg->x, msg->y, 0.0) );
	tf::Quaternion q;
	q.setRPY(0, 0, msg->theta);
	transform.setRotation(q);
	// 广播world与海龟坐标系之间的tf数据
	br.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;
};

tf监听器代码

在功能包的/src文件夹下创建turtle_tf_listener.cpp文件，实现一个tf监听器。
1.定义TF监听器 TransformLisrener
2.查找坐标变换（waitForTransform , lookupTransform）

#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<turtlesim::Spawn>("/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<geometry_msgs::Twist>("/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 = 4.0 * atan2(transform.getOrigin().y(),
				                        transform.getOrigin().x());
		vel_msg.linear.x = 0.5 * sqrt(pow(transform.getOrigin().x(), 2) +
				                      pow(transform.getOrigin().y(), 2));
		turtle_vel.publish(vel_msg);
		rate.sleep();
	}
	return 0;
};

配置编译规则

配置功能包下的CMakeLists.txt文件
1.设置需要编译的代码和生成的可执行文件
2.设置链接库

add_executable(turtle_tf_broadcaster src/turtle_tf_broadcaster.cpp)
target_link_libraries(turtle_tf_broadcaster ${catkin_LIBRARIES})
add_executable(turtle_tf_listener src/turtle_tf_listener.cpp)
target_link_libraries(turtle_tf_listener ${catkin_LIBRARIES})

编译并运行

1.编译

$ cd ~/catkin_ws
$ catkin_make
$ source devel/setup.bash

2.运行
分别发布两只海龟的位置和world坐标系关系，__name:=turtle1_tf_broadcaster是重映射，会取代argv中的数据。这些运行的代码相当于在命令行中运行的.launch文件。

$ roscore
$ rosrun turtlesim turtlesim_node
$ rosrun learning_tf turtle_tf_broadcaster __name:=turtle1_tf_broadcaster /turtle1
$ rosrun learning_tf turtle_tf_broadcaster __name:=turtle2_tf_broadcaster /turtle2
$ rosrun learning_tf turtle_tf_listener
$ rosrun turtlesim turtle_teleop_key