ROS坐标系管理工具包

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简介

ROS中存在许多不同的坐标系，例如传感器坐标系、机器人本体系、世界坐标系、地图坐标系等。虽然我们可以手动管理不同坐标系之间转换关系，但在大型项目中难免会出现混乱，为此ROS提供了坐标系管理工具包tf和tf2，两者的简介和区别可以参考官方文档ROS tf2简介。

对于新用户来说，官方建议使用上手直接使用接口定义更为规范的tf2。本文是基于ROS官方tf2教程的记录，便于各位在学习过程中参考。

编写静态tf2发布器

对于静止不动的坐标变换关系，可以使用静态tf2发布器，该发布器属于tf2_ros工具包，支持欧拉角和四元数两种格式的调用：

// 欧拉角形式 rosrun static_transform_publisher x y z yaw pitch roll frame_id child_frame_id // 四元数形式 rosrun static_transform_publisher x y z qx qy qz qw frame_id child_frame_id 1234

其中，x, y, z为子坐标系（child_frame）原点在父坐标系（frame）中的坐标；欧拉角调用中yaw(Z), pitch(Y), roll(X)为父坐标系旋转到子坐标系的旋转角度，转序为Z-Y-X；四元数调用中qx, qy, qz为四元数的矢量部分，qw为四元数的标量部分。

编写动态tf2发布器

相比静态变换（static transformation），实际中使用更多的是动态变换，例如需要将IMU的量测信息由传感器坐标系变换到世界坐标系，而传感器坐标系是固联在体系上，随体系一起转动的，节点demo如下：

#include <ros/ros.h> #include <tf2/LinearMath/Quaternion.h> // tf2四元数头文件 #include <tf2_ros/transform_broadcaster.h> //tf2 broadcaster头文件 #include <geometry_msgs/TransformStamped.h>// 带时戳的变换消息 #include <turtlesim/Pose.h> std::string turtle_name; //子坐标系名字 void poseCallback(const turtlesim::PoseConstPtr& msg){ //构建tf2 broadcaster static tf2_ros::TransformBroadcaster br; //构建用于tf2 broadcaster的带时戳变换消息 geometry_msgs::TransformStamped transformStamped; // 构建消息头 transformStamped.header.stamp = ros::Time::now(); transformStamped.header.frame_id = "world"; // 子坐标系ID（注意其不在消息头中） transformStamped.child_frame_id = turtle_name; // 子坐标系原点在world下的三轴坐标 transformStamped.transform.translation.x = msg->x; transformStamped.transform.translation.y = msg->y; transformStamped.transform.translation.z = 0.0; // 子坐标系和world之间的姿态（转序为zyx) tf2::Quaternion q; q.setRPY(0, 0, msg->theta); transformStamped.transform.rotation.x = q.x(); transformStamped.transform.rotation.y = q.y(); transformStamped.transform.rotation.z = q.z(); transformStamped.transform.rotation.w = q.w(); // 广播变换 br.sendTransform(transformStamped); } int main(int argc, char** argv){ ros::init(argc, argv, "my_tf2_broadcaster"); ros::NodeHandle private_node("~"); //检查命令行或launch中是否给定了turtle name if (! private_node.hasParam("turtle")) { if (argc != 2){ROS_ERROR("need turtle name as argument"); return -1;}; turtle_name = argv[1]; } else { private_node.getParam("turtle", turtle_name); } ros::NodeHandle node; ros::Subscriber sub = node.subscribe(turtle_name+"/pose", 10, &poseCallback); ros::spin(); return 0; };

123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354

编写tf2接收器

上一节我们通过tf2_broadcaster发布了一组变换关系，本节演示如何获取这一变换关系以实现ROS tf2简介中的turtle2自动跟随turtle1效果。

#include <ros/ros.h> #include <tf2_ros/transform_listener.h> #include <geometry_msgs/TransformStamped.h> #include <geometry_msgs/Twist.h> #include <turtlesim/Spawn.h> int main(int argc, char** argv){ // 初始化节点与节点句柄 ros::init(argc, argv, "tf2_listener"); ros::NodeHandle nh; // 获取服务生成另一个turtle ros::service::waitForService("spawn"); ros::ServiceClient spawner = nh.serviceClient<turtlesim::Spawn>("spawn"); turtlesim::Spawn turtle; turtle.request.x = 4; turtle.request.y = 2; turtle.request.theta = 0; turtle.request.name = "turtle2"; spawner.call(turtle); // 创建第二个turtle的速度消息publisher ros::Publisher turtle_vel = nh.advertise<geometry_msgs::Twist>("turtle2/cmd_vel", 10); // 创建tf缓存器和tf_listener(10s) tf2_ros::Buffer tfBuffer; tf2_ros::TransformListener tfListener(tfBuffer); ros::Rate rate(10.0); while(nh.ok()){ geometry_msgs::TransformStamped tf_stamped; // 在最近的tfBuff中寻找是否存在turtle2和turtle1之间的变换 try{ tf_stamped = tfBuffer.lookupTransform("turtle2", "turtle1", ros::Time(0)); } catch(tf2::TransformException &ex){ ROS_WARN("%s", ex.what()); ros::Duration(1.0).sleep(); continue; }// 根据制导率和接收到的tf消息计算速度并发布 geometry_msgs::Twist vel_msg; vel_msg.angular.z = 4.0 * atan2(tf_stamped.transform.translation.y, tf_stamped.transform.translation.x); vel_msg.linear.x = 0.5 * sqrt(pow(tf_stamped.transform.translation.x, 2) + pow(tf_stamped.transform.translation.y, 2)); turtle_vel.publish(vel_msg); rate.sleep(); } return 0; }

12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546474849

代码中核心部分主要包括以下几部分：

创建tf2_ros::TransformListener对象，接受参数为tf2_ros::Buffer对象。该对象从创建开始自动向tf2_ros::Buffer添加所有的发布的geometry_msgs::TransformStamped和geometry_msgs::Transform消息，默认维持数据量为最近的10s；

// 创建tf缓存器和tf_listener(10s) tf2_ros::Buffer tfBuffer; tf2_ros::TransformListener tfListener(tfBuffer); 123 使用在tf2_ros::Buffer的lookupTransform函数在当前tf2_ros::Buffer对象中寻找指定的变换关系：

tf_stamped = tfBuffer.lookupTransform("turtle2", "turtle1", ros::Time(0));// 参数1： 目标frame// 参数2： 参考frame// 参数3： 所获取tf对应的时刻，若为ros::Time(0)则表示获取最新的tf 1234

lookupTransform中的时间参数

在编写tf2_listener时，我们注意到lookupTransform函数的第三个参数为时间参数ros::Time，其最易混淆的两种用法是ros::Time::now()和ros::Time(0)，区别列举如下：

ros::Time::now()：该参数表示从tf_buffer中获取和当前时戳一致的tf，由于传输延迟的存在，期望的tf很可能并不存在；ros::Time(0)：该参数表示从tf_buffer中获取时戳最新的tf，期望的tf一定存在，但由于传输延迟的存在，该tf并不一定是当前时刻的tf；

实际上，完整的lookupTransform共包括6个入口参数，说明如下：

lookupTransform(string& target_frame, ros::Time& target_timestring& source_frame, ros::Time& source_timestring& fixed_frame, ros::Time& timeout)// target_frame:目标坐标系名称// target_time：目标坐标系的时戳// source_frame:原坐标系名称// source_time:原坐标系时戳// fixed_frame:固定坐标系名称// timeout:等待时间 123456789

在默认调用中，target_time和source_time默认一致，固定坐标系默认为世界坐标系"/world"。

网址：ROS坐标系管理工具包 https://www.yuejiaxmz.com/news/view/322830

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