ROS探索总结（十二）——坐标系统

ROS探索总结（十二）——坐标系统

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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。

相关链接：http://www.ros.org/wiki/tf/Tutorials#Learning_tf

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

1. $ rosdep install turtle_tf rviz
2. $ rosmake turtle_tf rviz

2、运行demo

运行简单的demo：

$ roslaunch turtle_tf turtle_tf_demo.launch 然后就会看到两只小乌龟了。

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。

可以发现，第二只乌龟会跟随你移动的乌龟进行移动。

3、demo分析

接下来我们就来看一看到底ROS做了什么事情。 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 然后会看到一些提示，并且生成了一个frames.pdf文件。

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。

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

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

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

1. $ roscd tutorials
2. $ roscreate-pkg learning_tf tf roscpp rospy turtlesim
3. $ rosmake learning_tf

2、broadcast transforms

我们首先看一下如何把参考系发布到tf。 代码文件：/nodes/turtle_tf_broadcaster.py

1. #!/usr/bin/env python
2. import roslib
3. roslib.load_manifest('learning_tf')
4. import rospy
7. import tf
8. import turtlesim.msg
11. def handle_turtle_pose(msg, turtlename):
12. br = tf.TransformBroadcaster()
13. br.sendTransform((msg.x, msg.y, 0),
14. tf.transformations.quaternion_from_euler(0, 0, msg.theta),
15. rospy.Time.now(),
16. turtlename,
17. "world") #发布乌龟的平移和翻转
20. if __name__ == '__main__':
21. rospy.init_node('turtle_tf_broadcaster')
22. turtlename = rospy.get_param('~turtle') #获取海龟的名字（turtle1，turtle2）
23. rospy.Subscriber('/%s/pose' % turtlename,
24. turtlesim.msg.Pose,
25. handle_turtle_pose,
26. turtlename) #订阅 topic "turtleX/pose"
27. rospy.spin()

创建launch文件start_demo.launch：

1. <launch>
2. <!-- Turtlesim Node-->
3. <node pkg="turtlesim" type="turtlesim_node" name="sim"/>
4. <node pkg="turtlesim" type="turtle_teleop_key" name="teleop" output="screen"/>
7. <node name="turtle1_tf_broadcaster" pkg="learning_tf" type="turtle_tf_broadcaster.py" respawn="false" output="screen" >
8. <param name="turtle" type="string" value="turtle1" />
9. </node>
10. <node name="turtle2_tf_broadcaster" pkg="learning_tf" type="turtle_tf_broadcaster.py" respawn="false" output="screen" >
11. <param name="turtle" type="string" value="turtle2" />
12. </node>
15. </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（nodes/turtle_tf_listener.py）：

1. #!/usr/bin/env python
2. import roslib
3. roslib.load_manifest('learning_tf')
4. import rospy
5. import math
6. import tf
7. import turtlesim.msg
8. import turtlesim.srv
10. if __name__ == '__main__':
11. rospy.init_node('tf_turtle')
13. listener = tf.TransformListener() #TransformListener创建后就开始接受tf广播信息，最多可以缓存10s
15. rospy.wait_for_service('spawn')
16. spawner = rospy.ServiceProxy('spawn', turtlesim.srv.Spawn)
17. spawner(4, 2, 0, 'turtle2')
19. turtle_vel = rospy.Publisher('turtle2/command_velocity', turtlesim.msg.Velocity)
21. rate = rospy.Rate(10.0)
22. while not rospy.is_shutdown():
23. try:
24. (trans,rot) = listener.lookupTransform('/turtle2', '/turtle1', rospy.Time(0))
25. except (tf.LookupException, tf.ConnectivityException, tf.ExtrapolationException):
26. continue
28. angular = 4 * math.atan2(trans[1], trans[0])
29. linear = 0.5 * math.sqrt(trans[0] ** 2 + trans[1] ** 2)
30. turtle_vel.publish(turtlesim.msg.Velocity(linear, angular))
32. rate.sleep()

在launch文件中添加下面的节点：

1. <launch>
2. ...
3. <node pkg="learning_tf" type="turtle_tf_listener.py"
4. name="listener" />
5. </launch>

然后在运行，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”。代码如下（nodes/fixed_tf_broadcaster.py）：

1. #!/usr/bin/env python
2. import roslib
3. roslib.load_manifest('learning_tf')
5. import rospy
6. import tf
8. if __name__ == '__main__':
9. rospy.init_node('my_tf_broadcaster')
10. br = tf.TransformBroadcaster()
11. rate = rospy.Rate(10.0)
12. while not rospy.is_shutdown():
13. br.sendTransform((0.0, 2.0, 0.0),
14. (0.0, 0.0, 0.0, 1.0),
15. rospy.Time.now(),
16. "carrot1",
17. "turtle1") #建立一个新的参考系，父参考系为turtle1，并且距离父参考系2米
18. rate.sleep()

在launch文件中添加节点：

1. <launch>
2. ...
3. <node pkg="learning_tf" type="fixed_tf_broadcaster.py"
4. name="broadcaster_fixed" />
5. </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。打开nodes/turtle_tf_listener.py文件，将turtle1改成carrot1：

(trans,rot) = self.tf.lookupTransform("/turtle2", "/carrot1", rospy.Time(0))

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：

1. #!/usr/bin/env python
2. import roslib
3. roslib.load_manifest('learning_tf')
5. import rospy
6. import tf
7. import math
9. if __name__ == '__main__':
10. rospy.init_node('my_tf_broadcaster')
11. br = tf.TransformBroadcaster()
12. rate = rospy.Rate(10.0)
13. while not rospy.is_shutdown():
14. t = rospy.Time.now().to_sec() * math.pi
15. br.sendTransform((2.0 * math.sin(t), 2.0 * math.cos(t), 0.0),
16. (0.0, 0.0, 0.0, 1.0),
17. rospy.Time.now(),
18. "carrot1",
19. "turtle1")
20. rate.sleep()<font size="3"><br></font>

这次carrot1的位置现对于turtle1来说是一个三角函数关系了。

代码下载：http://download.csdn.net/detail/hcx25909/5708199

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