ROS1学习笔记:ROS中的坐标管理系统(ubuntu20.04)

参考B站古月居ROS入门21讲:ROS中的坐标系管理系统
基于VMware Ubuntu 20.04 Noetic版本的环境

文章目录

  • 一、机器人中的坐标变换
  • 二、TF功能包
  • 三、小海龟跟随实验
    • 3.1 启动实验
    • 3.2 查看当前的TF树
    • 3.3 坐标相对位置可视化
      • 3.3.1 tf_echo
      • 3.3.2 rviz

一、机器人中的坐标变换

机器人运动学的核心,描述任意两个坐标系之中任意两个向量之间的变换,可以用一个4×4的变换矩阵(Transformation Matrices)来描述它的平移和旋转变化。
变换矩阵中有包括旋转矩阵(Rotation Matrix)的信息和位置移动(Translation)的信息。
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二、TF功能包

一个机器人系统中,通常会涉及到很多坐标系的运算,这免不了大量的矩阵运算。我们可以使用ROS中的TF(Transform)功能包来解决问题。
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TF功能包的特点:默认能记录10秒内机器人所以坐标系的位置关系。
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TF坐标变化如何实现?

  • 广播TF变换
  • 监听TF变换

在ROS Master启动后,启动TF后,会在后台维护一个名为“TF树(TF Tree)”的数据结构。所有的坐标系都是通过树形结构保存在这个树结构当中,当有结点想查询某两个坐标系之间的关系的话,直接可以查询这个TF Tree来得到。

比如这个TF的例子:
这辆带激光雷达的车,车体是以base_link为坐标系的,激光雷达是以base_laser为坐标系的,可以看到base_laserbase_link向x轴平移了0.1m,向z轴平移了0.2m,y轴没有平移。 当base_laser测到离墙面的距离为0.3m,即向量(0.3,0,0)时,就可以根据图下方的TF
tree进行坐标系之间的数据变换的运算,从而算出base_link的相对与测距点的相对向量(0.4,0,0.2)。

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三、小海龟跟随实验

我们通过一个小程序来实现小海龟跟随另一个小海龟的实验,并通过可视化的方法来理解坐标系的变换。
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在这个实验中,我们先生成一只小乌龟,然后再生成一只新的小乌龟,新的小乌龟会自动跟随旧的小乌龟,直到重合。

3.1 启动实验

在进行实验之前,由于noetic的版本是预制了这个程序的,但是直接运行会报错,原因是python解释器的指向问题,我们先打开终端输入以下命令:

cd /usr/bin/
sudo rm -r python #出现rm -r 找不到文件的忽略即可
sudo cp python3 python

执行完后我们就可以运行这个程序了:

roslaunch turtle_tf turtle_tf_demo.launch

打开后我们就会生成两只小乌龟,我们通过键盘控制其中一只小乌龟,另一只就会自动跟随。
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3.2 查看当前的TF树

我们可以查看当前的TF数,查看坐标系之间的关系:

rosrun tf view_frames

但是直接运行会报错,无法生成pdf文件
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我们打开如图所示的报错文件夹,加上如图所示的这句话:
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再运行:

rosrun tf view_frames

成功生成了pdf文件:
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我们可以看到这棵树展示了当前坐标系之间的位置关系,turtle1turtle2是相对于world坐标系变化的。

3.3 坐标相对位置可视化

3.3.1 tf_echo

我们如果想看两只小海龟的相对变换关系,可输入:

rosrun tf tf_echo turtle1 turtle2

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我们如果操控小海龟移动,则位置会发生变化:

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3.3.2 rviz

我们可以打开rviz工具:

rosrun rviz rviz -d `rospack find turtle_tf` /rviz/turtle_rviz.rviz

打开界面之后,在上面的Fixed Frame选择world
在左下角的add添加TF。就可以看到三个坐标系了。
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最后,控制小海龟运动,坐标系发生改变,然后坐标系turtle2原点会靠近turtle1原点:

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下图中左边变换矩阵的运算,其实就是坐标移动的本质。两个坐标系相对于world坐标系的变换的乘积可以求得两个坐标系相对的变换关系。
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