【ROS】TF2坐标转换及实战示例

Halo，这里是Ppeua。平时主要更新C++，数据结构算法…感兴趣就关注我吧！你定不会失望。

0.ROS中的坐标转换消息包

在日常生活中，特别是对于机器人来说，各个目标系中的坐标转换是很关键的，通过右手系来标注坐标。
ROS中提供了坐标转换的软件包 Transform Frame TF的作用是ROS中实现不同坐标点/向量的转换。

不过TF在若干个版本前已经弃用，现在使用的是全新的版本：TF2，其有几个相关的功能包：

1. tf2_geometry_msgs:可以将ROS消息转换成tf2消息。
2. tf2: 封装了坐标变换的常用消息。
3. tf2_ros:为tf2提供了roscpp和rospy绑定，封装了坐标变换常用的API。
   

在坐标系转换中，在geometry下有两个重要的消息类型：TransformStamped、PointStamped,前者用于坐标系间的转换，后者用于点之间的坐标转换，这对我们之后的使用很重要。先来了解下这两种消息类型中的内容。

0.1 geometry_msgs/TransformStamped

该消息类型表示坐标系之间的关系
在终端中输入

rosmsg info geometry_msgs/TransformStamped

查看该消息类型的具体信息：

std_msgs/Header header  # 头信息
    uint32 seq          ## 序列号 
    time stamp          ## 时间戳
    string frame_id     ## 坐标

string child_frame_id   # 子坐标

geometry_msgs/Transform transform   #坐标信息

    geometry_msgs/Vector3 translation ##偏移量

        float64 x
        float64 y
        float64 z

    geometry_msgs/Quaternion rotation #四元数(欧拉角)

        float64 x
        float64 y
        float64 z
        float64 w

可以看出 PointStamped消息是由:
std_msgs/Header,string,geometry_msgs/Transform封装在一起，组成的新消息类型。
其中Transform又是由geometry_msgs/Vector3,geometry_msgs/Quaternion进行封装的。

0.2 geometry_msgs/PointStamped

该消息类型表示坐标点之间的转换
在终端中输入

rosmsg info geometry_msgs/PointStamped

可以查看该消息中的具体信息

std_msgs/Header header      #头信息
    uint32 seq                  ##序列号
    time stamp                  ##时间戳
    string frame_id             ##坐标系
geometry_msgs/Point point   #点坐标
    float64 x                   
    float64 y
    float64 z

可以看出 PointStamped消息是由:
std_msgs/Header与geometry_msgs/Point封装在一起，组成的新消息类型。

1.静态坐标转换

现有一机器人模型，核心构成包含主体与雷达，各对应一坐标系，坐标系的原点分别位于主体与雷达的物理中心，已知雷达原点相对于主体原点位移关系如下: x 0.2 y0.0 z0.5。当前雷达检测到一障碍物，在雷达坐标系中障碍物的坐标为 (2.0 3.0 5.0),请问，该障碍物相对于主体的坐标是多少？

组织下我们发布方的整体逻辑:

1. 导入所需功能包
2. 初始化ros节点
3. 创建静态坐标广播器
4. 编写静态坐标信息
5. 发送消息
6. spin()

这里是接收方的逻辑：

1. 导入所需要的功能包
2. 初始化ros节点
3. 创建TF订阅对象
4. 创建lase的坐标点
5. 坐标转换
6. spin（）

1.1导入所需功能包

在这个案例中，需要:rospy,std_msgs 这两个标准件
还需要：
tf2:封装了坐标变换的常用消息。
tf2_ros: 为tf2提供了roscpp和rospy绑定，封装了坐标变换常用的API。
tf2_geometry_msgs:可以将ROS消息转换成tf2消息。

1.2发布方实现

"""
导入功能包
""" 
import tf2_ros
from geometry_msgs.msg import TransformStamped
import tf
import rospy
"""
初始化节点信息
创建发布对象
组织发布数据
发布数据
spin()
"""
#初始化ros节点
rospy.init_node("static_pub")
#创建静态发布对象
pub=tf2_ros.StaticTransformBroadcaster()
#组织消息类型
ts=TransformStamped()

ts.header.seq=123
ts.header.stamp=rospy.Time.now()
ts.child_frame_id="laser"
ts.header.frame_id="frame_id"
ts.transform.translation.x=0.2
ts.transform.translation.y=0
ts.transform.translation.z=0.5
"""
将欧拉角放到四元数中进行转换
用到了tf中的transformation.quaternion_from_euler
"""
qtn=tf.transformations.quaternion_from_euler(0,0,0)
ts.transform.rotation.x=qtn[0]
ts.transform.rotation.y=qtn[1]
ts.transform.rotation.z=qtn[2]
ts.transform.rotation.w=qtn[3]
#发布消息
pub.sendTransform(tf)
rospy.spin()

1.3 订阅方实现

"""
导入功能包
"""
import rospy
from tf2_geometry_msgs import tf2_geometry_msgs
import tf2_ros

#初始化节点
rospy.init_node("static_sub")

#创建缓存对象
buffer=tf2_ros.Buffer()
"""

调用tf2_ros.Buffer()创建一个buffer用来存储坐标消息

"""
tf2_ros.TransformListener(buffer)
"""

监听tf坐标变换,将值存入buffer中

"""

"""

创建点坐标信息

"""
ps=tf2_geometry_msgs.PointStamped()
ps.header.stamp=rospy.Time.now()
ps.header.frame_id="laser"
ps.point.x=2.0
ps.point.y=3.0
ps.point.z=5.0
rate=rospy.Rate(10)
while not rospy.is_shutdown():
    try:
        """

        调用buffer.transform 将点坐标与原始坐标进行转换
        
        """
        ps_out=buffer.transform(ps,"frame_id")

        rospy.loginfo("转换后的坐标：（%.2f,%.2f,%.2f）,参考坐标系：%s",
                    ps_out.point.x,
                    ps_out.point.y,
                    ps_out.point.z,
                    ps_out.header.frame_id)
    except Exception as ee:
        rospy.logwarn("错误提示%s",ee)
    rate.sleep()

1.4 tf2_ros实现静态坐标转换

由于静态坐标转换中的整体逻辑大致相同,所以tf2_ros提供了一个功能包来直接实现坐标转换,不需要每次都使用编写代码

rosrun tf2_ros static_transform_publisher x偏移量 y偏移量 z偏移量 z偏航角度 y俯仰角度 x翻滚角度 父级坐标系 子级坐标系

2.动态坐标转换

在现实生活中，我们面对的不仅有点对点的坐标转换，还动态的坐标转换。
我们以乌龟为例来实现一下动态坐标转换

先来组织下发布方的逻辑

1. 导包 rospy std_msgs tf2 tf2_ros tf2_geometry_msgs geometry_msgs turtlesim
2. 初始化ros节点
3. 订阅 /turtle1/pose 话题消息
4. 回调函数
   1. 创建TF广播器
   2. 组织广播数据
   3. 广播器发布数据
5. spin
   接收方的逻辑
6. 导包
7. 初始化ros节点
8. 创建TF对象
9. 处理订阅数据

2.1发布方实现

import rospy
from turtlesim.msg import Pose
import tf2_ros
from geometry_msgs.msg import TransformStamped
import tf
"""

订阅乌龟的位姿信息

"""
def doPose(pose):
    #创建动态坐标发布对象
    pub=tf2_ros.TransformBroadcaster()
    #组织点坐标消息类型
    ts=TransformStamped()

    ts.header.frame_id="world"

    ts.child_frame_id="turtle1"

    ts.header.stamp=rospy.Time.now()

    #坐标系相对于子集坐标系

    ts.transform.translation.x=pose.x
    ts.transform.translation.y=pose.y
    ts.transform.translation.z=0
    
    #四元数转换
    qtn=tf.transformations.quaternion_from_euler(0,0,pose.theta)


    ts.transform.rotation.x=qtn[0]
    ts.transform.rotation.y=qtn[1]
    ts.transform.rotation.z=qtn[2]
    ts.transform.rotation.w=qtn[3]
    pub.sendTransform(ts)

#初始化ROS节点
rospy.init_node("tf02_pub")
#订阅消息位姿信息，创建回调函数
sub=rospy.Subscriber("/turtle1/pose",Pose,doPose,queue_size=100)
rospy.spin()

2.2订阅方逻辑

import rospy
import tf2_ros
# 不要使用 geometry_msgs,需要使用 tf2 内置的消息类型
from tf2_geometry_msgs import PointStamped
# from geometry_msgs.msg import PointStamped

if __name__ == "__main__":
    # 2.初始化 ROS 节点
    rospy.init_node("static_sub_tf_p")
    # 3.创建 TF 订阅对象
    buffer = tf2_ros.Buffer()
    # 监听坐标变换存入buffer中
    tf2_ros.TransformListener(buffer)

    rate = rospy.Rate(1)
    while not rospy.is_shutdown():    
    # 4.创建坐标点信息
        # 仅需提供目标坐标系
        point_source = PointStamped()

        point_source.header.frame_id = "turtle1"
        
        point_source.header.stamp = rospy.Time.now()
        


        try:
    #     5.调研订阅对象的 API 将 4 中的点坐标转换成相对于 world 的坐标
            point_target = buffer.transform(point_source,"world",rospy.Duration(1))
            rospy.loginfo("转换结果:x = %.2f, y = %.2f, z = %.2f",
                            point_target.point.x,
                            point_target.point.y,
                            point_target.point.z)
        except Exception as e:
            rospy.logerr("异常:%s",e)

    #     6.spin
        rate.sleep()

2.3实现效果

首先启动turtlesim的键盘控制节点与GUI

rosrun turtlesim turtlesim_node
rosrun turtlesim turtle_teleop_key

接着启动发布方与接收方 之后就可以在屏幕上看到转换后的坐标系

rosrun tf02_dynamic demo01_tf02_pub.py
rosrun tf02_dynamic demo01_tf02_sub.py

3.0多坐标转换

将多个坐标先相对于世界坐标系进行转换,然后在调用api将转换后的数据进行相互转换

3.1发布方实现

直接调用静态坐标转换的ros包,写成launch文件

3.2订阅方实现

订阅方逻辑实现

1. 导入包 rospy std_msgs tf2_ros geometry_msgs(TransformStamped 坐标系转换) tf2_geomerty_msgs(PointStamped 坐标点转换)
2. 初始化ros节点
3. 创建TF订阅对象,实现两个坐标系之间相互转换

import rospy
from tf2_geometry_msgs import tf2_geometry_msgs
import tf2_ros
from geometry_msgs.msg import TransformStamped

rospy.init_node("static_sub")

#创建缓存对象
buffer=tf2_ros.Buffer()

sub=tf2_ros.TransformListener(buffer)

rate=rospy.Rate(10)

while not rospy.is_shutdown():
    try:
        """
        计算son1相对于son2的坐标关系
        lookup_transform(父级坐标系，子级坐标系，取坐标的时间，时间间隔)
        """
        ts=buffer.lookup_transform("son2","son1",rospy.Time(0))
        rospy.loginfo("父级坐标系：%s，子级坐标系：%s,%.2f,%.2f,%.2f",
                      ts.header.frame_id,
                      ts.child_frame_id,
                      ts.transform.translation.x,
                      ts.transform.translation.y,
                      ts.transform.translation.z

                      )
 
    except Exception as ee:
        pass
        rospy.logwarn("错误提示%s",ee)
    rate.sleep()

3.3 view_frames查看当前坐标系

运行以上节点后，在任意工作目录下输入

rosrun tf2_tools view_frames.py

会在当前目录下生成一个可以坐标关系的pdf，可以利用此工具查看坐标关系
请添加图片描述

4.0 tf坐标变换实操

我们先来创建turtle，运行turtlesim这个节点

rosrun turtlesim turtlesim_node

通过rosservice的/spawn服务来多生成一只turtle来完成我们的多坐标转换,生成一只名为H的乌龟

rosservice call /spawn 
"x: 0.0 
y: 0.0
theta: 0.0
name: ''" 

若返回输入的名字，此时就能在屏幕上看到刚刚生成的那只乌龟
准备工作都做完了，现在开始创建坐标系

4.1乌龟位姿信息发布

先来理清整个跟随的逻辑：

1. 在坐标系中发布两只乌龟的信息
2. 将第二只乌龟的位姿信息相对第一只乌龟作转换
3. 控制cmd发布速度信息

import rospy
import sys
from turtlesim.msg import Pose
import tf2_ros
from geometry_msgs.msg import TransformStamped
import tf


def doPose(pose):
    pub=tf2_ros.TransformBroadcaster()
    ts=TransformStamped()
    ts.header.frame_id="world"
    ts.header.stamp=rospy.Time.now()
    ts.child_frame_id=turtle_name
    ts.transform.translation.x=pose.x
    ts.transform.translation.y=pose.y

    qtn=tf.transformations.quaternion_from_euler(0,0,pose.theta)
    ts.transform.rotation.x=qtn[0]
    ts.transform.rotation.y=qtn[1]
    ts.transform.rotation.z=qtn[2]
    ts.transform.rotation.w=qtn[3]

    pub.sendTransform(ts)

rospy.init_node("dynamic_pub",anonymous=True)
if len(sys.argv)>=2: 
    turtle_name=sys.argv[1]
    sub=rospy.Subscriber(turtle_name+"/pose",Pose,doPose,queue_size=10)
    rospy.spin()
else:
    print(sys.argv[1])
    rospy.loginfo("请输入坐标名称")
    sys.exit()

这份代码出现过很多次了，这里就不过多赘述。注意：sys.argv的第一个参数为文件名 之后的为传入参数

4.2 控制乌龟进行跟随运动

总体逻辑：

1. 计算两个乌龟之间的相对坐标
2. 控制乌龟的线速度与角速度
3. 发布

import rospy
from tf2_geometry_msgs import tf2_geometry_msgs
import tf2_ros
from geometry_msgs.msg import TransformStamped,Twist
import math
import sys
"""
创建订阅对象
组织被转换的坐标点
转换逻辑实现调用tf封装的算法
输出结果
"""
rospy.init_node("static_sub")

#创建缓存对象
buffer=tf2_ros.Buffer()

sub=tf2_ros.TransformListener(buffer)
pub=rospy.Publisher("/H/cmd_vel",Twist,queue_size=10)
rate=rospy.Rate(10)
while not rospy.is_shutdown():
    try:
        """
        计算son1相对于son2的坐标关系
        直接监听整个坐标系，不需要订阅话题
        """
        ts=buffer.lookup_transform("H","turtle1",rospy.Time(0))
        rospy.loginfo("父级坐标系：%s，子级坐标系：%s,%.2f,%.2f,%.2f",
                      ts.header.frame_id,
                      ts.child_frame_id,
                      ts.transform.translation.x,
                      ts.transform.translation.y,
                      ts.transform.translation.z

                      )
        twist=Twist()
        twist.linear.x=0.5*math.sqrt(math.pow(ts.transform.translation.x,2)+math.pow(ts.transform.translation.y,2))
        twist.angular.z=4*math.atan2(ts.transform.translation.y,ts.transform.translation.x)
        pub.publish(twist)

    except Exception as ee:
        pass
        rospy.logwarn("错误提示%s",ee)
    rate.sleep()

4.3查看当前坐标关系

rosrun tf2_tools view_frames.py