ROS TF坐标变换 - 位姿描述与消息类型
目录
- 一、位姿描述
- 二、位姿相关消息体类型
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- 2.1 geometry_msgs/TransformStamped
- 2.2 geometry_msgs/PoseStamped
在机器人系统中，有许多运动机构和传感器，为了描述他们之间的相对位姿关系，分别为他们定义了各自的坐标系，通过坐标系转换，就可以知道每个时刻各个组件的位姿。
ROS中通过TF包封装了常用的坐标系转换工具，目前ROS使用的是TF2，早在ROS Hydro以前，ROS使用的是TF。TF2相对TF，更加易用，效率更高，功能更加丰富。
ROS中通过类似topic的形式发布（广播）与订阅（监听）各组件间的位姿关系，接下来我们介绍这一机制。
一、位姿描述
位姿，即位置和姿态角。在二维空间中，使用二维点和相对于x轴正向的夹角（弧度）描述一个位姿：
P o s e 2 D = ( x , y ; θ x ) Pose_{2D}=(x,y; \theta_{x}) Pose2D=(x,y;θx)
类似的，在三维空间中，应该使用三维点和相对于xyz三个轴的夹角（弧度）描述一个位姿：
P o s e 3 D = ( x , y , z ; θ x , θ y , θ z ) Pose_{3D}=(x,y,z; \theta_{x},\theta_{y},\theta_{z}) Pose3D=(x,y,z;θx,θy,θz)
但在执行三维位姿变换时，这种表示会有一些问题。其中相对三轴的角度表示方法我们称为欧拉角（该方法是数学家欧拉提出的），欧拉角变换，需要相对XYZ轴进行三次变换，如果第二次变换角为 ± 9 0 ∘ \pm90^\circ ±90∘ 时，第一次变换和第三次变换使用同一个轴，这就是欧拉角的万向锁问题。
所以欧拉角并不适用于三维变换计算，但由于其直观性，通常出现在人机交互场景，内部计算通常使用四元数。
四元数是复数空间的定义，即我们升了一个维度来表示三维旋转，一个四元数由一个实部和三个虚部组成：
q = q 0 + q 1 i + q 2 j + q 3 k q=q_0+q_1i+q_2j+q_3k q=q0+q1i+q2j+q3k
其中 i , j , k i,j,k i,j,k 满足：
{ i 2 = j 2 = k 2 = − 1 i j = − j i = k j k = − k j = i k i = − i k = j \begin{cases} \ i^2=j^2=k^2=-1\\ \ ij=-ji=k\\ \ jk=-kj=i\\ \ ki=-ik=j \end{cases} ⎩ ⎨ ⎧ i2=j2=k2=−1 ij=−ji=k jk=−kj=i ki=−ik=j
ROS的TF2中提供了相关的消息体格式与计算接口。
二、位姿相关消息体类型
常用的消息体有：geometry_msgs/TransformStamped 和 geometry_msgs/PoseStamped
geometry_msgs/TransformStamped 用于表示变换的信息（平移+旋转）
geometry_msgs/PoseStamped 用于表示坐标点的位姿（位置+姿态角）
2.1 geometry_msgs/TransformStamped
geometry_msgs/TransformStamped.msg 的内容如下：
Header header
string child_frame_id # the frame id of the child frame
Transform transform
说明：
它由三部分组成，header、child_frame_id 和 transform ，
其中，header 是 std_msgs/Header 类型，通常用于记录时间戳和坐标系id，结构如下：
uint32 seq # 序列号
time stamp # 时间戳
string frame_id # 父坐标系id
child_frame_id 用于表示变换中的子坐标系id
transform 是该变换的信息，结构如下：
Vector3 translation # 一个三维向量，表示平移
Quaternion rotation # 一个四元数，表示旋转
使用 rosmsg info geometry_msgs/TransformStamped 可以查看 geometry_msgs/TransformStamped 的全部信息，如下：
2.2 geometry_msgs/PoseStamped
geometry_msgs/PoseStamped 的内容如下：
Header header
Pose pose
说明：
它由两部分组成，header 和 pose ，
同样，header 用于记录时间戳和坐标系id，
pose 是坐标点的位姿，结构如下：
Point position # 一个三维坐标，表示位置
Quaternion orientation # 一个四元数，表示姿态角
同样，使用 rosmsg info geometry_msgs/PoseStamped 可以查看 geometry_msgs/PoseStamped 的全部信息，如下：
