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（七）坐标管理、tf坐标系广播与监听_坐标监听

作者：秋刀鱼在做梦 | 2024-08-14 09:18:59

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坐标监听

17.ROS中的坐标系管理系统_哔哩哔哩_bilibili

18.tf坐标系广播与监听的编程实现_哔哩哔哩_bilibili

一、坐标管理系统

1、TF工具包

一个机器人可以有多个坐标系，若要去描述任意两个坐标系之间的关系，会出现大量的矩阵运算。而可以用ROS中的TF(Transform)功能包来解决问题，它可以管理坐标系，通过查询可获知两个坐标系间的关系，无需自己去做运算。

TF功能包的特点：默认能记录10秒内机器人所有坐标系之间的位置关系。

在ROS Master启动后，启动TF，会在后台维护一个名为“TF树（TF Tree）”的数据结构。所有的坐标系都是通过树形结构保存在这个树结构当中，当有结点想查询某两个坐标系之间的关系的话，直接可以查询这个TF Tree来得到。

2、小海龟与TF

通过程序实现一个小海龟跟随另一个小海龟，并将其可视化以理解坐标系的变换。


sudo apt-get install ros-melodic-turtle-tf
roslaunch turtle_tf turtle_tf_demo.launch
rosrun turtlesim turtle_teleop_key

查看当前的TF树：

rosrun tf view_frames

看到有3个坐标系，除了两个海龟自身的坐标系，还有个world坐标系。TF树展示了当前的坐标间的位置关系，turtle1和turtle2是相对world坐标系变化的。

坐标相对位置关系可视化

（1）（tf_echo）

rosrun tf tf_echo turtle1 turtle2

操纵海龟则会产生变化：

Translation表示了相对位移的信息（是一个3×1的向量）。
Rotation表示了旋转矩阵的信息（一个3×3的矩阵，但自由度为3）。

（2）（rviz）

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

二、tf坐标系广播与监听

1、创建功能包


cd ~/catkin_ws/src
catkin_create_pkg learning_tf roscpp rospy tf turtlesim

2、创建代码并编译运行

（一）C++版本

如何实现一个tf广播器

定义TF广播器（TransformBroadcaster）
创建坐标变换值；
发布坐标变换（sendTransform）

如何实现一个TF监听器

定义TF监听器；（TransformListener）
查找坐标变换；（waitForTransform、 lookupTransform）

urtle_tf_broadcaster.cpp ：通过TF广播任意两个坐标系之间的位置关系，需要建立一个广播器，然后创建坐标的变换值，将这个变换矩阵的信息广播出去(插入TF tree)。

main函数需要传入参数，参数从终端命令行输入（输入的参数包括节点名称和 turtle_name）。从终端传参可以重复跑两遍这个C++程序分别对应turtle1和turtle2的广播器。


/**
 * 该例程产生tf数据，并计算、发布turtle2的速度指令
 */
#include <ros/ros.h>
#include <tf/transform_broadcaster.h>
#include <turtlesim/Pose.h>
 
std::string turtle_name;
 
void poseCallback(const turtlesim::PoseConstPtr& msg)
{
	// 创建tf的广播器
	static tf::TransformBroadcaster br;
 
	// 初始化tf数据
	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);
 
	// 广播world与海龟坐标系之间的tf数据
	br.sendTransform(tf::StampedTransform(transform, ros::Time::now(), "world", turtle_name));
}
 
int main(int argc, char** argv)
{
    // 初始化ROS节点
	ros::init(argc, argv, "my_tf_broadcaster");
 
	// 输入参数作为海龟的名字
	if (argc != 2)
	{
		ROS_ERROR("need turtle name as argument"); 
		return -1;
	}
 
	turtle_name = argv[1];
 
	// 订阅海龟的位姿话题
	ros::NodeHandle node;
	ros::Subscriber sub = node.subscribe(turtle_name+"/pose", 10, &poseCallback);
 
    // 循环等待回调函数
	ros::spin();
 
	return 0;
};

坐标关系插入TF tree后，树会自动运算变换矩阵。

turtle_tf_listener.cpp：从tf中获取任意两个坐标之间的位置关系(通过waitfor和lookup)，命令turtle2向turtle1以定义的速度(Twist)移动。


/**
 * 该例程监听tf数据，并计算、发布turtle2的速度指令
 */
#include <ros/ros.h>
#include <tf/transform_listener.h>
#include <geometry_msgs/Twist.h>
#include <turtlesim/Spawn.h>
 
int main(int argc, char** argv)
{
	// 初始化ROS节点
	ros::init(argc, argv, "my_tf_listener");
 
    // 创建节点句柄
	ros::NodeHandle node;
 
	// 请求产生turtle2
	ros::service::waitForService("/spawn");
	ros::ServiceClient add_turtle = node.serviceClient<turtlesim::Spawn>("/spawn");
	turtlesim::Spawn srv;
	add_turtle.call(srv);
 
	// 创建发布turtle2速度控制指令的发布者
	ros::Publisher turtle_vel = node.advertise<geometry_msgs::Twist>("/turtle2/cmd_vel", 10);
 
	// 创建tf的监听器
	tf::TransformListener listener;
 
	ros::Rate rate(10.0);
	while (node.ok())
	{
		// 获取turtle1与turtle2坐标系之间的tf数据
		tf::StampedTransform transform;
		try
		{
			listener.waitForTransform("/turtle2", "/turtle1", ros::Time(0), ros::Duration(3.0));
			listener.lookupTransform("/turtle2", "/turtle1", ros::Time(0), transform);
		}
		catch (tf::TransformException &ex) 
		{
			ROS_ERROR("%s",ex.what());
			ros::Duration(1.0).sleep();
			continue;
		}
 
		// 根据turtle1与turtle2坐标系之间的位置关系，发布turtle2的速度控制指令
		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;
};

配置：


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

编译：


cd ~/catkin_ws
catkin_make

运行：

roscore

rosrun turtlesim turtlesim_node

rosrun learning_tf turtle_tf_broadcaster __name:=turtle1_tf_broadcaster /turtle1

rosrun learning_tf turtle_tf_broadcaster __name:=turtle2_tf_broadcaster /turtle2

rosrun learning_tf turtle_tf_listener

rosrun turtlesim turtle_teleop_key

（二）Python版本

如何实现一个tf广播器

定义TF广播器（TransformBroadcaster）
创建坐标变换值；
发布坐标变换（sendTransform）

如何实现一个TF监听器

定义TF监听器；（TransformListener）
查找坐标变换；（waitForTransform、 lookupTransform）

turtle_tf_broadcaster.py ：


#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-
# 该例程将请求/show_person服务，服务数据类型learning_service::Person
 
import roslib
roslib.load_manifest('learning_tf')
import rospy
 
import tf
import turtlesim.msg
 
def handle_turtle_pose(msg, turtlename):
    br = tf.TransformBroadcaster()
    br.sendTransform((msg.x, msg.y, 0),
                     tf.transformations.quaternion_from_euler(0, 0, msg.theta),
                     rospy.Time.now(),
                     turtlename,
                     "world")
 
if __name__ == '__main__':
    rospy.init_node('turtle_tf_broadcaster')
    turtlename = rospy.get_param('~turtle')
    rospy.Subscriber('/%s/pose' % turtlename,
                     turtlesim.msg.Pose,
                     handle_turtle_pose,
                     turtlename)
    rospy.spin()

turtle_tf_listener.py：


#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-
# 该例程将请求/show_person服务，服务数据类型learning_service::Person
 
import roslib
roslib.load_manifest('learning_tf')
import rospy
import math
import tf
import geometry_msgs.msg
import turtlesim.srv
 
if __name__ == '__main__':
    rospy.init_node('turtle_tf_listener')
 
    listener = tf.TransformListener()
 
    rospy.wait_for_service('spawn')
    spawner = rospy.ServiceProxy('spawn', turtlesim.srv.Spawn)
    spawner(4, 2, 0, 'turtle2')
 
    turtle_vel = rospy.Publisher('turtle2/cmd_vel', geometry_msgs.msg.Twist,queue_size=1)
 
    rate = rospy.Rate(10.0)
    while not rospy.is_shutdown():
        try:
            (trans,rot) = listener.lookupTransform('/turtle2', '/turtle1', rospy.Time(0))
        except (tf.LookupException, tf.ConnectivityException, tf.ExtrapolationException):
            continue
 
        angular = 4 * math.atan2(trans[1], trans[0])
        linear = 0.5 * math.sqrt(trans[0] ** 2 + trans[1] ** 2)
        cmd = geometry_msgs.msg.Twist()
        cmd.linear.x = linear
        cmd.angular.z = angular
        turtle_vel.publish(cmd)
 
        rate.sleep()

右击py文件→属性，打开执行权限。

配置：


 install(PROGRAMS
   scripts/turtle_tf_listener.py
   scripts/turtle_tf_broadcaster.py 
   DESTINATION ${CATKIN_PACKAGE_BIN_DESTINATION}
 )

编译：


cd ~/catkin_ws
catkin_make

运行：

roscore

rosrun turtlesim turtlesim_node

rosrun learning_tf turtle_tf_broadcaster.py __name:=turtle1_tf_broadcaster _turtle:=turtle1

rosrun learning_tf turtle_tf_broadcaster.py __name:=turtle2_tf_broadcaster _turtle:=turtle2

rosrun learning_tf turtle_tf_listener.py

rosrun turtlesim turtle_teleop_key

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