6. ROS坐标系统

博客转载：https://blog.csdn.net/hcx25909/article/details/9255001 和 https://www.cnblogs.com/wlzy/p/8214563.html

在机器人的控制中，坐标系统是非常重要的，在ROS使用tf软件库进行坐标转换。

一、tf简介

   我们通过一个小小的实例来介绍tf的作用。

1、安装turtle包

sudo apt-get install ros-indigo-turtlebot

2、运行demo

$ roslaunch turtle_tf turtle_tf_demo.launch

然后就会看到两只小乌龟

  该例程中带有turtlesim仿真，可以在终端激活的情况下进行键盘控制。

方向键控制黄色乌龟的运动，第二只绿色乌龟会跟随你移动的乌龟进行移动

3、demo分析

 这个例程使用tf建立了三个参考系：a world frame, a turtle1 frame, and a turtle2 frame。然后使用tf broadcaster发布乌龟的参考系，并且使用tf listener计算乌龟参考系之间的差异，使得第二只乌龟跟随第一只乌龟。

我们可以使用tf工具来具体研究

rosrun tf view_frames

生成frames.pdf和frame.gv

digraph G {
"world" -> "turtle1"[label="Broadcaster: /turtle1_tf_broadcaster
Average rate: 62.700 Hz
Most 
recent transform: 1587301448.302 ( 0.004 sec old)
Buffer length: 4.976 sec
"];
"world" -> "turtle2"[label="Broadcaster: /turtle2_tf_broadcaster
Average rate: 62.702 Hz
Most 
recent transform: 1587301448.302 ( 0.003 sec old)
Buffer length: 4.976 sec
"];
edge [style=invis];
 subgraph cluster_legend { style=bold; color=black; label ="view_frames Result";
"Recorded at time: 1587301448.306"[ shape=plaintext ] ;
 }->"world";
}

该文件描述了参考系之间的联系。三个节点分别是三个参考系，而/world是其他两个乌龟参考系的父参考系。还包含一些调试需要的发送频率、最近时间等信息。
tf还提供了一个tf_echo工具来查看两个广播参考系之间的关系。我们可以看一下第二只得乌龟坐标是怎么根据第一只乌龟得出来的。

rosrun tf tf_echo turtle1 turtle2

控制一只乌龟，在终端中会看到第二只乌龟的坐标转换关系。

我们也可以通过rviz的图形界面更加形象的看到这三者之间的关系。

移动乌龟，可以看到在rviz中的坐标会跟随变化。其中左下角的是/world，其他两个是乌龟的参考系,下面我们就来详细分析这个实例。

二、Writing a tf broadcaster

1、创建包

cd /home/ke/Desktop/Planner/tf_ws/src/src/
catkin_create_pkg learning_tf tf roscpp rospy turtlesim

建立你的新包roscd之前:

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

我们首先创建源文件。 我们刚刚创建的包:　

roscd learning_tf

在src文件夹内创建turtle_tf_broadcaster.cpp

#include <ros/ros.h>
#include <tf/transform_broadcaster.h>
#include <turtlesim/Pose.h>
  
std::string turtle_name;
  
  
  
void poseCallback(const turtlesim::PoseConstPtr& msg){
  static tf::TransformBroadcaster br;
  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);
  br.sendTransform(tf::StampedTransform(transform, ros::Time::now(), "world", turtle_name));
}
  
int main(int argc, char** argv){
  ros::init(argc, argv, "my_tf_broadcaster");
  if (argc != 2){ROS_ERROR("need turtle name as argument"); return -1;};
  turtle_name = argv[1];
  
  ros::NodeHandle node;
  ros::Subscriber sub = node.subscribe(turtle_name+"/pose", 10, &poseCallback);
  
  ros::spin();
  return 0;
};

在CMakeLists.txt内添加

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

之后 catkin_make编译， 创建launch文件start_demo.launch：

<launch>
  <!-- Turtlesim Node-->
  <node pkg="turtlesim" type="turtlesim_node" name="sim"/>
 
  <node pkg="turtlesim" type="turtle_teleop_key" name="teleop" output="screen"/>
  <!-- Axes -->
  <param name="scale_linear" value="2" type="double"/>
  <param name="scale_angular" value="2" type="double"/>
 
  <node pkg="learning_tf" type="turtle_tf_broadcaster" args="/turtle1" name="turtle1_tf_broadcaster" />
  <node pkg="learning_tf" type="turtle_tf_broadcaster" args="/turtle2" name="turtle2_tf_broadcaster" />
 
</launch>

运行

roslaunch learning_tf start_demo.launch

 可以看到界面中只有移植乌龟了，打开tf_echo的信息窗口：

rosrun tf tf_echo /world /turtle1 

world参考系的原点在最下角，对于turtle1的转换关系，其实就是turtle1在world参考系中所在的坐标位置以及旋转角度。

三、Writing a tf listener

这一步，我们将看到如何使用tf进行参考系转换。首先写一个tf listener: turtle_tf_listener.cpp。The turtlesim/Velocity.h header is not used anymore(再也不), it has been replaced by geometry_msgs/Twist.h. Furthermore(此外), the topic/turtle/command_velocity is now called /turtle/cmd_vel. In light of this, a few changes are necessary to make it work

#include <ros/ros.h>
#include <tf/transform_listener.h>
#include <geometry_msgs/Twist.h>
#include <turtlesim/Spawn.h>
 
int main(int argc, char** argv){
  ros::init(argc, argv, "my_tf_listener");
 
  ros::NodeHandle node;
 
  ros::service::waitForService("spawn");
  ros::ServiceClient add_turtle =
    node.serviceClient<turtlesim::Spawn>("spawn");
  turtlesim::Spawn srv;
  add_turtle.call(srv);
 
  ros::Publisher turtle_vel =
    node.advertise<geometry_msgs::Twist>("turtle2/cmd_vel", 10);
 
  tf::TransformListener listener;
 
  ros::Rate rate(10.0);
  while (node.ok()){
    tf::StampedTransform transform;
    try{
      listener.lookupTransform("/turtle2", "/turtle1",
                               ros::Time(0), transform);
    }
    catch (tf::TransformException &ex) {
      ROS_ERROR("%s",ex.what());
      ros::Duration(1.0).sleep();
      continue;
    }
 
    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;
};

修改 CMakeLists.txt

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

再次编译即可: catkin_make

修改launch文件start_demo.launch添加：

<launch>
  ...
  <node pkg="learning_tf" type="turtle_tf_listener"
        name="listener" />
</launch>

然后在运行：

roslaunch learning_tf start_demo.launch 

就可以看到两只turtle了，也就是我们在最开始见到的那种跟随效果。

四、Adding a frame

在很多应用中，添加一个参考系是很有必要的，比如在一个world参考系下，有很一个激光扫描节点，tf可以帮助我们将激光扫描的信息坐标装换成全局坐标。

1、tf消息结构

tf中的信息是一个树状的结构，world参考系是最顶端的父参考系，其他的参考系都需要向下延伸。如果我们在上文的基础上添加一个参考系，就需要让这个新的参考系成为已有三个参考系中的一个的子参考系。

2、建立固定参考系（fixed frame）

 我们以turtle1作为父参考系，建立一个新的参考系carrot1, 添加文件frame_tf_broadcaster.cpp

#include <ros/ros.h>
#include <tf/transform_broadcaster.h>
  
int main(int argc, char** argv){
  ros::init(argc, argv, "my_tf_broadcaster");
  ros::NodeHandle node;
  
  tf::TransformBroadcaster br;
  tf::Transform transform;
  
  ros::Rate rate(10.0);
  while (node.ok()){
    transform.setOrigin( tf::Vector3(0.0, 2.0, 0.0) );
    transform.setRotation( tf::Quaternion(0, 0, 0, 1) );
    br.sendTransform(tf::StampedTransform(transform, ros::Time::now(), "turtle1", "carrot1"));
    rate.sleep();
  }
  return 0;
};

修改 CMakeLists.txt

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

修改launch文件start_demo.launch添加：

<launch>
  ...
  <node pkg="learning_tf" type="frame_tf_broadcaster"
        name="broadcaster_frame" />
</launch>

重新编译 catkin_make,   然后运行：

 roslaunch learning_tf start_demo.launch 

 运行，还是看到两只乌龟和之前的效果一样. 新添加的参考系并没有对其他参考系产生什么影响.Open the src/turtle_tf_listener.cpp file, and simple replace "/turtle1" with "/carrot1" in lines 26-27:

listener.lookupTransform("/turtle2", "/carrot1", ros::Time(0), transform);

重新运行，现在乌龟之间的跟随关系就改变了：

3、建立移动参考系（moving frame）

我们建立的新参考系是一个固定的参考系，在仿真过程中不会改变，如果我们要把carrot1参考系和turtle1参考系之间的关系设置可变的，可以修改代码如下：

#include <cmath>
#include <ros/ros.h>
#include <tf/transform_broadcaster.h>
  
int main(int argc, char** argv)
{
  ros::init(argc, argv, "my_tf_broadcaster");
  ros::NodeHandle node;
  
  tf::TransformBroadcaster br;
  tf::Transform transform;
  
  ros::Rate rate(10.0);
  while (node.ok())
  {
  
    double secs = ros::Time::now().toSec();
    transform.setOrigin( tf::Vector3(2.0 * cos(secs), 2.0 * sin(secs), 0.0) );
    transform.setRotation( tf::Quaternion(0, 0, 0, 1) );
    br.sendTransform(tf::StampedTransform(transform, ros::Time::now(), "turtle1", "carrot1"));
    rate.sleep();
  }
  return 0;
};

 这次carrot1的位置现对于turtle1来说是一个三角函数关系了。