ROS 机器人技术 - TF 坐标系统基本概念

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项目写 ROS 语义融合节点需要使用 TF 坐标，这里记录下我学习下 TF 包的笔记。

一、TF 和 TF2 是什么？

1.1 TF

ROS TF 是一个可以让机器人随着时间跟踪坐标系之间变换关系的功能包，TF 的内部是树形结构，内部的坐标系变换通过缓冲区维护，可以让用户在任意时间将点、向量等数据的坐标在不同的坐标系中变换。

我们知道一个机器人系统通常含有多个随着时间变化的 3D 坐标系（coordinate frames），比如常见坐标系如下：

world frame：世界（全局）坐标系
base frame：机器人中心坐标系
head frame：机器人头部坐标系
gripper frame：机械爪坐标系

TF 包的作用就是随着时间的变化跟踪这些坐标系，并且用户可以访问过去和现在的一些坐标变换，比如：

5 秒前，机器人头部坐标系相对于世界坐标系的变换关系是怎样的？
机器人的爪子夹取的物体相对于机器人中心坐标系的位置在哪里？
机器人中心坐标系和全局坐标系的相对位置变换

并且 TF 系统在 ROS 中是分布式的，意思是一个 ROS 系统中广播的所有坐标系变换关系对于所有的 ROS 节点都是可用的，每个订阅了 TF 消息的节点都会缓冲一份当前机器人所有坐标系的变换关系，使得坐标变换非常方便。

比如你定好了机器人的雷达和相机的相对位置，并且标定的他们的坐标关系，那么通过在 ROS 中用 TF 广播雷达和相机的坐标关系，然后所有节点都可以使用你发布的这个变换。

TF：http://wiki.ros.org/tf

1.2 TF2

自从 ROS Hydro 版本发布后，ROS 官方就弃用了 TF 包，转而用第二代的 TF2 代替，TF2 完全兼容第一代的 TF，并且 TF2 接口更清晰，更加容易使用，官方也建议最新的工作使用 TF2 系统。

所以大家现在创建的项目使用最新的 TF2 就可以了，完全兼容 TF的。

TF2：http://wiki.ros.org/tf2

以下我就用 TF 代表 TF2 了哈。

二、使用 TF 系统的 2 个重要步骤

ROS 官方给了使用 TF 系统的 2 个重要步骤，每个使用 TF 的同学都应该提前知道这 2 步，跟发布和订阅主题类似：

广播 TF 变换：向 ROS 中广播坐标系的相对变换关系，ROS 系统的不同部分都可以广播坐标变换，不需要进行同步等操作。
监听 TF 变换：接收并缓存 ROS 系统中广播的所有坐标系变换，并且可以查询指定帧之间的坐标变换。

基本的 TF 概念就介绍完了，下面用个小乌龟跟随的例子来看下 TF 系统到底做了什么。

三、小乌龟带你理解 TF 如何工作

3.1 安装并运行小乌龟

我们用官方的 Demo 来解释 TF 系统，先来安装 Demo：

sudo apt-get install ros-$ROS_DISTRO-turtle-tf2 ros-$ROS_DISTRO-tf2-tools ros-$ROS_DISTRO-tf

注意要把 $ROS_DISTRO 替换为你的 ROS 版本，比如 kinect：

sudo apt-get install ros-kinect-turtle-tf2 ros-kinect-tf2-tools ros-kinect-tf

安装好后运行这个 demo，记得学习 ROS 环境搭建的基础：

roslaunch turtle_tf2 turtle_tf2_demo.launch

运行出现 2 个经典的小乌龟：

切换到运行 roslaunch 的终端，按键盘的上下左右键移动小乌龟，会发现第二个白色小乌龟会跟随第一个绿色小乌龟而运动：

3.2 分析小乌龟

上面这个例子中使用了 3 个坐标系：

world frame：世界坐标系
turtle1 frame：第一个绿色小乌龟的坐标系
turtle2 frame：第二个白色小乌龟的坐标系

在程序中使用 TF 广播小乌龟之间的参考系，然后在监听 TF 消息后计算 2 个乌龟的位置差，从而使得第二个乌龟跟随第一个乌龟移动，tf 提供了 view_frame 工具来查看系统当前广播的 TF 变换：

rosrun tf2_tools view_frames.py

会生成一个 frames.pdf 文件：

Listening to tf data during 5 seconds...
Generating graph in frames.pdf file...

我们直接打开这个 pdf 文件：

evince frames.pdf

解释下：

当前 TF 系统广播了 3 个坐标系：world frame、turtle1 frame、turtle2 frame
world frame 是 turtle1 和 turtle2 的父坐标系节点
除了坐标系的关系，还包括调试用的发送频率，缓冲区长度，最新的和最早的转换

还可以实时查看 ROS 系统中存在的 TF 变换：

rosrun rqt_tf_tree rqt_tf_tree

如下图：

除了查看参考系的结构图，TF 还提供一个能够查看两个坐标系相对变换的工具 tf_echo：

# 输出 source_frame 到 target_frame 的坐标变换关系
# 或者 target_frame 相对于 source_frame 的坐标变换关系
rosrun tf tf_echo [source_frame] [target_frame]

turtle1 到 turtle2 的坐标变换公式如下，先把 turtle1 转到 world 坐标系，再从 world 坐标系转到 turtle2 坐标系：

\[T_{turtle1->turtle2} = T_{turtle1->world} * T_{world->turtle2}\]

我们来输出第一个绿色乌龟到第二个白色乌龟的坐标变换：

rosrun tf tf_echo turtle1 turtle2

输出类似下面的信息：

当你用上下左右键移动第一个乌龟，会发现上面的坐标输出会随之更新，里面显示了一些表示乌龟 2 相对于乌龟 1 的坐标（X, Y, Z）和旋转角（四元数和欧拉角表示）。

3.3 使用 RVIZ 查看 TF 变换

我们可以使用 RVIZ 来直观的查看系统当中的 TF 变换，启动上面 demo 对应的 rviz 配置：

rosrun rviz rviz -d `rospack find turtle_tf2`/rviz/turtle_rviz.rviz

显示如下，记得搜索下 Rviz 的基本用法哈，这里滑动鼠标滚轮可以放大查看，使用键盘移动小乌龟会发现坐标系也会随之移动：

今天就写这些，下期跟大家继续分享 TF 的使用方法。

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