ROS系统实现 tf坐标系广播与监听

Posted 2021-08-08 ʚVVcatɞ

安装Ros中 tf 相关功能包

sudo apt-get install ros-melodic-turtle-tf

启动launch文件，这个launch文件相当于一个脚本，可以一次性启动很多节点

roslaunch turtle_tf turtle_tf_demo.launch

启动海龟控制节点

rosrun turtlesim turtle_teleop_key

能够监听当前时刻所有通过ROS广播的tf坐标系，并绘制出树状图表示坐标系之间的连接关系保存到离线文件中，监听5秒后，保存5秒内坐标系之间的关系，会生成一个pdf文件。

rosrun tf view_frames

使用tf_echo工具可以查看两个广播参考系之间的关系。

rosrun tf tf_echo [reference_frame] [target_frame]

例如：

rosrun tf tf_echo turtle1 turtle2

通过rvize可视化工具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

---

cd ~/catkin_ws/src

catkin_create_pkg learning_tf roscpp rospy tf turtlesim

如何实现一个tf广播器

• 定义TF广播器
• 创建坐标变换值
• 发布坐标变换

如何实现一个TF监听器

• 定义TF监听器
• 查找坐标变换

在创建的 learning_tf 目录中的src文件夹下创建一个 cpp文件

cd ~/catkin_ws/src/learning_tf/src

touch turtle_tf_broadcaster.cpp

在 turtle_tf_broadcaster.cpp 文件中写入以下代码。
以下代码的功能：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;
};

在创建的 learning_tf 目录中的src文件夹下创建一个 cpp文件

cd ~/catkin_ws/src/learning_tf/src

touch turtle_tf_listener.cpp

在 turtle_tf_listener.cpp 文件中写入以下代码。
以下代码的功能：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，计算turtle2需要运动的线速度和角速度
		// 并发布速度控制指令，使turtle2向turtle1移动
		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;
};

在CMakeLists.txt中添加以下代码：

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})

编译项目

cd ~/catkin_ws

catkin_make

设置环境变量，让系统能够找到该工作空间

source devel/setup.bash

启动ROS Master

roscore

启动小海龟仿真器

rosrun turtlesim turtlesim_node

发布/turtle1海龟坐标系关系

rosrun learning_tf turtle_tf_broadcaster __name:=turtle1_tf_broadcaster /turtle1

注：turtle_tf_broadcaster __name:=turtle1_tf_broadcaster 重新命名

发布/turtle2海龟坐标系关系

rosrun learning_tf turtle_tf_broadcaster __name:=turtle2_tf_broadcaster /turtle2

启动自定义的节点

rosrun learning_tf turtle_tf_listener

启动海龟控制节点

rosrun turtlesim turtle_teleop_key

---

用Python实现的步骤：

cd ~/catkin_ws/src/learning_tf

创建 scripts 文件夹

mkdir scripts

cd scripts

创建 turtle_tf_broadcaster.py Python文件

touch turtle_tf_broadcaster.py

用Python实现的代码：
以下代码的功能：请求/show_person服务，服务数据类型learning_service::Person

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-

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()

创建 turtle_tf_listener.py Python文件

touch turtle_tf_listener.py

用Python实现的代码：
以下代码的功能：请求/show_person服务，服务数据类型learning_service::Person

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-

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()

注意：需要将Python设置为可执行文件。

启动ROS Master

roscore

启动小海龟仿真器

rosrun turtlesim turtlesim_node

发布/turtle1海龟坐标系关系

rosrun learning_tf turtle_tf_broadcaster.py __name:=turtle1_tf_badcaster _turtle:=turtle1

发布/turtle2海龟坐标系关系

rosrun learning_tf turtle_tf_broadcaster.py __name:=turtle2_tf_badcaster _turtle:=turtle2

启动自定义的监听节点

rosrun learning_tf turtle_tf_listener.py

启动海龟控制节点

rosrun turtlesim turtle_teleop_key