ROS探索总结（十二）——坐标系统

ubuntu 14.04  indigo版本

转摘自：http://www.guyuehome.com/265

一、tf简介

1、安装turtle包

rosdep install turtle_tf rviz
rosmake turtle_tf rviz

2、运行demo

 roslaunch turtle_tf turtle_tf_demo.launch 

程序带turtlesim仿真，直接在终端进行键盘控制，可以看到两只小乌龟运行了。

3、demo分析

上例中使用tf建立了三个参考系：a world frame,a turtle1 frame, aturtle2 frame.

然后，使用tf broadcaster发布乌龟的参考系，使用tf listener计算乌龟参考系之间的差异，使用第二只乌龟跟随第一只乌龟。

使用tf工具来具体研究：

rosrun tf view_frames

　

可以看到生成了一个frames.pdf文件：

该文件描述了参考系之间的关系，三个节点分别是三个参考系，而/word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提供了一个tf_echo工具来查看两个广播参考系之间的关系。第二只乌龟坐标如何根据第一只乌龟得出来。

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.rviz　　

 

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。

二、Writing a tf broadcaster

1、创建一个包

在catkin_ws/src下，创建一个learning_tf包

cd ~/catkin_ws/src
catkin_create_pkg learning_tf tf roscpp roscp turtlesim
cd ..
catkin_make

2、broadcast transforms

首先看下如何把参考系发布到tf。代码文件：

/nodes/turtle_tf_broadcaster.py

　　

#!/usr/bin/env python    
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")  #发布乌龟的平移和翻转  
 
 
if __name__ == '__main__':  
    rospy.init_node('turtle_tf_broadcaster')  
    turtlename = rospy.get_param('~turtle')   #获取海龟的名字（turtle1，turtle2）  
    rospy.Subscriber('/%s/pose' % turtlename,  
                     turtlesim.msg.Pose,  
                     handle_turtle_pose,  
                     turtlename)   #订阅 topic "turtleX/pose"  
    rospy.spin()

创建launch文件start_demo.launch

<launch>  
    <!-- Turtlesim Node-->  
    <node pkg="turtlesim" type="turtlesim_node" name="sim"/>  
    <node pkg="turtlesim" type="turtle_teleop_key" name="teleop" output="screen"/>  
 
 
    <node name="turtle1_tf_broadcaster" pkg="learning_tf" type="turtle_tf_broadcaster.py" respawn="false" output="screen" >  
      <param name="turtle" type="string" value="turtle1" />  
    </node>  
    <node name="turtle2_tf_broadcaster" pkg="learning_tf" type="turtle_tf_broadcaster.py" respawn="false" output="screen" >  
      <param name="turtle" type="string" value="turtle2" />   
    </node>  
 
 
  </launch>

运行start_demo.launch文件： 

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

注意，/world 与 /turtle1中间有空格。

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

如何使用tf进行参考系转换。

先建一个listener（turtle_tf_listener.py）

#!/usr/bin/env python    
import roslib  
roslib.load_manifest('learning_tf')  
import rospy  
import math  
import tf  
import turtlesim.msg  
import turtlesim.srv  
 
if __name__ == '__main__':  
    rospy.init_node('tf_turtle')  
 
    listener = tf.TransformListener() #TransformListener创建后就开始接受tf广播信息，最多可以缓存10s  
 
    rospy.wait_for_service('spawn')  
    spawner = rospy.ServiceProxy('spawn', turtlesim.srv.Spawn)  
    spawner(4, 2, 0, 'turtle2')  
 
    turtle_vel = rospy.Publisher('turtle2/command_velocity', turtlesim.msg.Velocity)  
 
    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)  
        turtle_vel.publish(turtlesim.msg.Velocity(linear, angular))  
 
        rate.sleep()

在launch文件中添加下面的节点：

<launch>  
    ...  
    <node pkg="learning_tf" type="turtle_tf_listener.py"   
          name="listener" />  
</launch>

然后在运行，就可以看到两只turtle了，见到跟随效果。

四、Adding a frame

在一个world参考系下，一个激光扫描点，tf可以帮助将激光的信息坐标转换成全局坐标。

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：fixed_tf_broadcaster.py

#!/usr/bin/env python    
import roslib  
roslib.load_manifest('learning_tf')  
 
import rospy  
import tf  
 
if __name__ == '__main__':  
    rospy.init_node('my_tf_broadcaster')  
    br = tf.TransformBroadcaster()  
    rate = rospy.Rate(10.0)  
    while not rospy.is_shutdown():  
        br.sendTransform((0.0, 2.0, 0.0),  
                         (0.0, 0.0, 0.0, 1.0),  
                         rospy.Time.now(),  
                         "carrot1",  
                         "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  
        rate.sleep()

  在launch文件中添加节点：

<launch>  
  ...  
  <node pkg="learning_tf" type="fixed_tf_broadcaster.py"  
        name="broadcaster_fixed" />  
</launch>

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：

#!/usr/bin/env python    
import roslib  
roslib.load_manifest('learning_tf')  
 
import rospy  
import tf  
import math  
 
if __name__ == '__main__':  
    rospy.init_node('my_tf_broadcaster')  
    br = tf.TransformBroadcaster()  
    rate = rospy.Rate(10.0)  
    while not rospy.is_shutdown():  
        t = rospy.Time.now().to_sec() * math.pi  
        br.sendTransform((2.0 * math.sin(t), 2.0 * math.cos(t), 0.0),  
                         (0.0, 0.0, 0.0, 1.0),  
                         rospy.Time.now(),  
                         "carrot1",  
                         "turtle1")  
        rate.sleep()<font size="3"><br></font>