[ROS基础] --- TF坐标转换

Posted 2022-05-16 Overboom

1 TF坐标转换概念

tf：TransForm Frame,坐标变换
坐标系：ROS 中是通过坐标系统开标定物体的，确切的将是通过右手坐标系来标定的。
TF左边转换作用：在 ROS 中用于实现不同坐标系之间的点或向量的转换。

说明
在ROS中坐标变换最初对应的是tf，不过在 hydro 版本开始, tf 被弃用，迁移到 tf2,后者更为简洁高效，tf2对应的常用功能包有:

tf2_geometry_msgs:可以将ROS消息转换成tf2消息。

tf2: 封装了坐标变换的常用消息。

tf2_ros:为tf2提供了roscpp和rospy绑定，封装了坐标变换常用的API。

2 坐标msg消息

订阅发布模型中数据载体 msg 是一个重要实现，首先需要了解一下，在坐标转换实现中常用的 msg:geometry_msgs/TransformStamped和geometry_msgs/PointStamped。前者用于传输坐标系相关位置信息，后者用于传输某个坐标系内坐标点的信息。在坐标变换中，频繁的需要使用到坐标系的相对关系以及坐标点信息。

2.1 1.geometry_msgs/TransformStamped

std_msgs/Header header                     #头信息
  uint32 seq                                #|-- 序列号
  time stamp                                #|-- 时间戳
  string frame_id                            #|-- 坐标 ID
string child_frame_id                    #子坐标系的 id
geometry_msgs/Transform transform        #坐标信息
  geometry_msgs/Vector3 translation        #偏移量
    float64 x                                #|-- X 方向的偏移量
    float64 y                                #|-- Y 方向的偏移量
    float64 z                                #|-- Z 方向上的偏移量
  geometry_msgs/Quaternion rotation        #四元数
    float64 x                                
    float64 y                                
    float64 z                                
    float64 w

2.2 2.geometry_msgs/PointStamped

std_msgs/Header header                    #头
  uint32 seq                                #|-- 序号
  time stamp                                #|-- 时间戳
  string frame_id                            #|-- 所属坐标系的 id
geometry_msgs/Point point                #点坐标
  float64 x                                    #|-- x y z 坐标
  float64 y
  float64 z

3 静态坐标变换

所谓静态坐标变换，是指两个坐标系之间的相对位置是固定的。

需求描述:
现有一机器人模型，核心构成包含主体与雷达，各对应一坐标系，坐标系的原点分别位于主体与雷达的物理中心，已知雷达原点相对于主体原点位移关系如下: x 0.2 y0.0 z0.5。当前雷达检测到一障碍物，在雷达坐标系中障碍物的坐标为 (2.0 3.0 5.0),请问，该障碍物相对于主体的坐标是多少？

实现分析:
坐标系相对关系，可以通过发布方发布
订阅方，订阅到发布的坐标系相对关系，再传入坐标点信息(可以写死)，然后借助于 tf 实现坐标变换，并将结果输出

程序实现：
1.创建功能包
创建项目功能包依赖于 tf2、tf2_ros、tf2_geometry_msgs、roscpp rospy std_msgs geometry_msgs

2.发布方 tf_pub.cpp

/* 
    静态坐标变换发布方:
        发布关于 laser 坐标系的位置信息 

    实现流程:
        1.包含头文件
        2.初始化 ROS 节点
        3.创建静态坐标转换广播器
        4.创建坐标系信息
        5.广播器发布坐标系信息
        6.spin()
*/


// 1.包含头文件
#include "ros/ros.h"
#include "tf2_ros/static_transform_broadcaster.h"
#include "geometry_msgs/TransformStamped.h"
#include "tf2/LinearMath/Quaternion.h"

int main(int argc, char *argv[])

    setlocale(LC_ALL,"");
    // 2.初始化 ROS 节点
    ros::init(argc,argv,"static_brocast");
    // 3.创建静态坐标转换广播器
    tf2_ros::StaticTransformBroadcaster broadcaster;
    // 4.创建坐标系信息
    geometry_msgs::TransformStamped ts;
    //----设置头信息
    ts.header.seq = 100;
    ts.header.stamp = ros::Time::now();
    ts.header.frame_id = "base_link";
    //----设置子级坐标系
    ts.child_frame_id = "laser";
    //----设置子级相对于父级的偏移量
    ts.transform.translation.x = 0.2;
    ts.transform.translation.y = 0.0;
    ts.transform.translation.z = 0.5;
    //----设置四元数:将 欧拉角数据转换成四元数
    tf2::Quaternion qtn;
    qtn.setRPY(0,0,0);
    ts.transform.rotation.x = qtn.getX();
    ts.transform.rotation.y = qtn.getY();
    ts.transform.rotation.z = qtn.getZ();
    ts.transform.rotation.w = qtn.getW();
    // 5.广播器发布坐标系信息
    broadcaster.sendTransform(ts);
    ros::spin();
    return 0;

3.订阅方tf_sub.cpp

/*  
    订阅坐标系信息，生成一个相对于 子级坐标系的坐标点数据，转换成父级坐标系中的坐标点

    实现流程:
        1.包含头文件
        2.初始化 ROS 节点
        3.创建 TF 订阅节点
        4.生成一个坐标点(相对于子级坐标系)
        5.转换坐标点(相对于父级坐标系)
        6.spin()
*/
//1.包含头文件
#include "ros/ros.h"
#include "tf2_ros/transform_listener.h"
#include "tf2_ros/buffer.h"
#include "geometry_msgs/PointStamped.h"
#include "tf2_geometry_msgs/tf2_geometry_msgs.h" //注意: 调用 transform 必须包含该头文件

int main(int argc, char *argv[])

    setlocale(LC_ALL,"");
    // 2.初始化 ROS 节点
    ros::init(argc,argv,"tf_sub");
    ros::NodeHandle nh;
    // 3.创建 TF 订阅节点
    tf2_ros::Buffer buffer;
    tf2_ros::TransformListener listener(buffer);

    ros::Rate r(1);
    while (ros::ok())
    
    // 4.生成一个坐标点(相对于子级坐标系)
        geometry_msgs::PointStamped point_laser;
        point_laser.header.frame_id = "laser";
        point_laser.header.stamp = ros::Time::now();
        point_laser.point.x = 1;
        point_laser.point.y = 2;
        point_laser.point.z = 7.3;
    // 5.转换坐标点(相对于父级坐标系)
        //新建一个坐标点，用于接收转换结果  
        //--------------使用 try 语句或休眠，否则可能由于缓存接收延迟而导致坐标转换失败------------------------
        try
        
            geometry_msgs::PointStamped point_base;
            point_base = buffer.transform(point_laser,"base_link");
            ROS_INFO("转换后的数据:(%.2f,%.2f,%.2f),参考的坐标系是:",point_base.point.x,point_base.point.y,point_base.point.z,point_base.header.frame_id.c_str());

        
        catch(const std::exception& e)
        
            // std::cerr << e.what() << '\\n';
            ROS_INFO("程序异常.....");
        


        r.sleep();  
        ros::spinOnce();
    


    return 0;

4 动态坐标变换

所谓动态坐标变换，是指两个坐标系之间的相对位置是变化的。

需求描述:
启动 turtlesim_node,该节点中窗体有一个世界坐标系(左下角为坐标系原点)，乌龟是另一个坐标系，键盘控制乌龟运动，将两个坐标系的相对位置动态发布。

实现分析:
乌龟本身不但可以看作坐标系，也是世界坐标系中的一个坐标点
订阅 turtle1/pose,可以获取乌龟在世界坐标系的 x坐标、y坐标、偏移量以及线速度和角速度
将 pose 信息转换成 坐标系相对信息并发布

程序实现：
1.创建功能包
创建项目功能包依赖于 tf2、tf2_ros、tf2_geometry_msgs、roscpp rospy std_msgs geometry_msgs、turtlesim

2.发布方

/*  
    动态的坐标系相对姿态发布(一个坐标系相对于另一个坐标系的相对姿态是不断变动的)

    需求: 启动 turtlesim_node,该节点中窗体有一个世界坐标系(左下角为坐标系原点)，乌龟是另一个坐标系，键盘
    控制乌龟运动，将两个坐标系的相对位置动态发布

    实现分析:
        1.乌龟本身不但可以看作坐标系，也是世界坐标系中的一个坐标点
        2.订阅 turtle1/pose,可以获取乌龟在世界坐标系的 x坐标、y坐标、偏移量以及线速度和角速度
        3.将 pose 信息转换成 坐标系相对信息并发布

    实现流程:
        1.包含头文件
        2.初始化 ROS 节点
        3.创建 ROS 句柄
        4.创建订阅对象
        5.回调函数处理订阅到的数据(实现TF广播)
            5-1.创建 TF 广播器
            5-2.创建 广播的数据(通过 pose 设置)
            5-3.广播器发布数据
        6.spin
*/
// 1.包含头文件
#include "ros/ros.h"
#include "turtlesim/Pose.h"
#include "tf2_ros/transform_broadcaster.h"
#include "geometry_msgs/TransformStamped.h"
#include "tf2/LinearMath/Quaternion.h"

void doPose(const turtlesim::Pose::ConstPtr& pose)
    //  5-1.创建 TF 广播器
    static tf2_ros::TransformBroadcaster broadcaster;
    //  5-2.创建 广播的数据(通过 pose 设置)
    geometry_msgs::TransformStamped tfs;
    //  |----头设置
    tfs.header.frame_id = "world";
    tfs.header.stamp = ros::Time::now();

    //  |----坐标系 ID
    tfs.child_frame_id = "turtle1";

    //  |----坐标系相对信息设置
    tfs.transform.translation.x = pose->x;
    tfs.transform.translation.y = pose->y;
    tfs.transform.translation.z = 0.0; // 二维实现，pose 中没有z，z 是 0
    //  |--------- 四元数设置
    tf2::Quaternion qtn;
    qtn.setRPY(0,0,pose->theta);
    tfs.transform.rotation.x = qtn.getX();
    tfs.transform.rotation.y = qtn.getY();
    tfs.transform.rotation.z = qtn.getZ();
    tfs.transform.rotation.w = qtn.getW();


    //  5-3.广播器发布数据
    broadcaster.sendTransform(tfs);


int main(int argc, char *argv[])

    setlocale(LC_ALL,"");
    // 2.初始化 ROS 节点
    ros::init(argc,argv,"dynamic_tf_pub");
    // 3.创建 ROS 句柄
    ros::NodeHandle nh;
    // 4.创建订阅对象
    ros::Subscriber sub = nh.subscribe<turtlesim::Pose>("/turtle1/pose",1000,doPose);
    //     5.回调函数处理订阅到的数据(实现TF广播)
    //        
    // 6.spin
    ros::spin();
    return 0;

3.订阅方

//1.包含头文件
#include "ros/ros.h"
#include "tf2_ros/transform_listener.h"
#include "tf2_ros/buffer.h"
#include "geometry_msgs/PointStamped.h"
#include "tf2_geometry_msgs/tf2_geometry_msgs.h" //注意: 调用 transform 必须包含该头文件

int main(int argc, char *argv[])

    setlocale(LC_ALL,"");
    // 2.初始化 ROS 节点
    ros::init(argc,argv,"dynamic_tf_sub");
    ros::NodeHandle nh;
    // 3.创建 TF 订阅节点
    tf2_ros::Buffer buffer;
    tf2_ros::TransformListener listener(buffer);

    ros::Rate r(1);
    while (ros::ok())
    
    // 4.生成一个坐标点(相对于子级坐标系)
        geometry_msgs::PointStamped point_laser;
        point_laser.header.frame_id = "turtle1";
        point_laser.header.stamp = ros::Time();
        point_laser.point.x = 1;
        point_laser.point.y = 1;
        point_laser.point.z = 0;
    // 5.转换坐标点(相对于父级坐标系)
        //新建一个坐标点，用于接收转换结果  
        //--------------使用 try 语句或休眠，否则可能由于缓存接收延迟而导致坐标转换失败------------------------
        try
        
            geometry_msgs::PointStamped point_base;
            point_base = buffer.transform(point_laser,"world");
            ROS_INFO("坐标点相对于 world 的坐标为:(%.2f,%.2f,%.2f)",point_base.point.x,point_base.point.y,point_base.point.z);

        
        catch(const std::exception& e)
        
            // std::cerr << e.what() << '\\n';
            ROS_INFO("程序异常:%s",e.what());
        


        r.sleep();  
        ros::spinOnce();
    


    return 0;

5 TF2与TF

5.1 TF2与TF比较_简介

TF2已经替换了TF，TF2是TF的超集，建议学习 TF2 而非 TF

TF2 功能包的增强了内聚性，TF 与 TF2 所依赖的功能包是不同的，TF 对应的是tf包，TF2 对应的是tf2和tf2_ros包，在 TF2 中不同类型的 API 实现做了分包处理。

TF2 实现效率更高，比如在:TF2 的静态坐标实现、TF2 坐标变换监听器中的 Buffer 实现等

5.2 TF2与TF比较_静态坐标变换演示

接下来，我们通过静态坐标变换来演示TF2的实现效率。

5.2.1 启动 TF2 与 TF 两个版本的静态坐标变换

TF2 版静态坐标变换:rosrun tf2_ros static_transform_publisher 0 0 0 0 0 0 /base_link /laser

TF 版静态坐标变换:rosrun tf static_transform_publisher 0 0 0 0 0 0 /base_link /laser 100

会发现，TF 版本的启动中最后多一个参数，该参数是指定发布频率

5.2.2 运行结果比对

使用rostopic查看话题，包含/tf与/tf_static, 前者是 TF 发布的话题，后者是 TF2 发布的话题，分别调用命令打印二者的话题消息

rostopic echo /tf: 当前会循环输出坐标系信息

rostopic echo /tf_static: 坐标系信息只有一次

5.3 结论

如果是静态坐标转换，那么不同坐标系之间的相对状态是固定的，既然是固定的，那么没有必要重复发布坐标系的转换消息，很显然的，tf2 实现较之于 tf 更为高效