ROS探索总结（十二）——坐标系统

在机器人的控制中，坐标系统是非常重要的，在ROS使用tf软件库进行坐标转换。

        相关链接：http://www.ros.org/wiki/tf/Tutorials#Learning_tf

一、tf简介

        我们通过一个小小的实例来介绍tf的作用。

1、安装turtle包

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1. $ rosdep install turtle_tf rviz  
2. $ rosmake turtle_tf rviz  

2、运行demo

        运行简单的demo：

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1. $ roslaunch turtle_tf turtle_tf_demo.launch  

        然后就会看到两只小乌龟了。

        该例程中带有turtlesim仿真，可以在终端激活的情况下进行键盘控制。

        可以发现，第二只乌龟会跟随你移动的乌龟进行移动。

3、demo分析

        接下来我们就来看一看到底ROS做了什么事情。
        这个例程使用tf建立了三个坐标帧：a world frame, a turtle1 frame, and a turtle2 frame。然后使用tf broadcaster发布乌龟的坐标帧，并且使用tf listener计算乌龟坐标帧之间的差异，使得第二只乌龟跟随第一只乌龟。
        我们可以使用tf工具来具体研究。

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1. $ rosrun tf view_frames  

        然后会看到一些提示，并且生成了一个frames.pdf文件。

        该文件描述了坐标系之间的联系。三个节点分别是三个坐标帧，而/world是其他两个乌龟坐标帧的父坐标帧。还包含一些调试需要的发送频率、最近时间等信息。
        tf还提供了一个tf_echo工具来查看两个广播帧之间的关系。我们可以看一下第二只得乌龟坐标是怎么根据第一只乌龟得出来的。

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1. $ 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。

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1. $ rosrun rviz rviz -d `rospack find turtle_tf`/rviz/turtle_rviz.vcg  

        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，其他两个是乌龟的坐标帧。
       下面我们就来详细分析这个实例。

二、Writing a tf broadcaster

1、创建包

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1. $ roscd tutorials  
2. $ roscreate-pkg learning_tf tf roscpp rospy turtlesim  
3. $ rosmake learning_tf  

2、broadcast transforms

        我们首先看一下如何把坐标帧发布到tf。
        代码文件：/nodes/turtle_tf_broadcaster.py

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1. #!/usr/bin/env python    
2. import roslib  
3. roslib.load_manifest('learning_tf')  
4. import rospy  
5.   
6.   
7. import tf  
8. import turtlesim.msg  
9.   
10.   
11. def handle_turtle_pose(msg, turtlename):  
12.     br = tf.TransformBroadcaster()  
13.     br.sendTransform((msg.x, msg.y, 0),  
14.                      tf.transformations.quaternion_from_euler(0, 0, msg.theta),  
15.                      rospy.Time.now(),  
16.                      turtlename,  
17.                      "world")  #发布乌龟的平移和翻转  
18.   
19.   
20. if __name__ == '__main__':  
21.     rospy.init_node('turtle_tf_broadcaster')  
22.     turtlename = rospy.get_param('~turtle')   #获取海龟的名字（turtle1，turtle2）  
23.     rospy.Subscriber('/%s/pose' % turtlename,  
24.                      turtlesim.msg.Pose,  
25.                      handle_turtle_pose,  
26.                      turtlename)   #订阅 topic "turtleX/pose"  
27.     rospy.spin()  

        创建launch文件start_demo.launch：

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1. <launch>  
2.     <!-- Turtlesim Node-->  
3.     <node pkg="turtlesim" type="turtlesim_node" name="sim"/>  
4.     <node pkg="turtlesim" type="turtle_teleop_key" name="teleop" output="screen"/>  
5.   
6.   
7.     <node name="turtle1_tf_broadcaster" pkg="learning_tf" type="turtle_tf_broadcaster.py" respawn="false" output="screen" >  
8.       <param name="turtle" type="string" value="turtle1" />  
9.     </node>  
10.     <node name="turtle2_tf_broadcaster" pkg="learning_tf" type="turtle_tf_broadcaster.py" respawn="false" output="screen" >  
11.       <param name="turtle" type="string" value="turtle2" />   
12.     </node>  
13.   
14.   
15.   </launch>  

        运行：

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1. $ 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：

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1. $ rosrun tf tf_echo /world /turtle1   

        world坐标系的原点在最下角，对于turtle1的转换关系，其实就是turtle1在world坐标系中所在的坐标位置以及旋转角度。

三、Writing a tf listener

             这一步，我们将看到如何使用tf进行帧转换。首先写一个tf listener（nodes/turtle_tf_listener.py）：

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1. #!/usr/bin/env python    
2. import roslib  
3. roslib.load_manifest('learning_tf')  
4. import rospy  
5. import math  
6. import tf  
7. import turtlesim.msg  
8. import turtlesim.srv  
9.   
10. if __name__ == '__main__':  
11.     rospy.init_node('tf_turtle')  
12.   
13.     listener = tf.TransformListener() #TransformListener创建后就开始接受tf广播信息，最多可以缓存10s  
14.   
15.     rospy.wait_for_service('spawn')  
16.     spawner = rospy.ServiceProxy('spawn', turtlesim.srv.Spawn)  
17.     spawner(4, 2, 0, 'turtle2')  
18.   
19.     turtle_vel = rospy.Publisher('turtle2/command_velocity', turtlesim.msg.Velocity)  
20.   
21.     rate = rospy.Rate(10.0)  
22.     while not rospy.is_shutdown():  
23.         try:  
24.             (trans,rot) = listener.lookupTransform('/turtle2', '/turtle1', rospy.Time(0))  
25.         except (tf.LookupException, tf.ConnectivityException, tf.ExtrapolationException):  
26.             continue  
27.   
28.         angular = 4 * math.atan2(trans[1], trans[0])  
29.         linear = 0.5 * math.sqrt(trans[0] ** 2 + trans[1] ** 2)  
30.         turtle_vel.publish(turtlesim.msg.Velocity(linear, angular))  
31.   
32.         rate.sleep()  

        在launch文件中添加下面的节点：

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1. <launch>  
2.     ...  
3.     <node pkg="learning_tf" type="turtle_tf_listener.py"   
4.           name="listener" />  
5. </launch>  

        然后在运行，就可以看到两只turtle了，也就是我们在最开始见到的那种跟随效果。

四、Adding a frame

        在很多应用中，添加一个帧是很有必要的，比如在一个world坐标系下，有很一个激光扫描节点，tf可以帮助我们将激光扫描的信息坐标装换成全局坐标。

1、帧结构

        tf中的坐标帧是一个树状的结构，world坐标系统是最顶端的父坐标帧，其他的坐标帧都需要向下延伸。如果我们在上文的基础上添加一个帧，就需要让这个新的帧成为已有三个帧中的一个的子帧。

2、建立固定帧（fixed frame）

        我们以turtle1作为父帧，建立一个新的帧“carrot1”。代码如下（nodes/fixed_tf_broadcaster.py）：

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1. #!/usr/bin/env python    
2. import roslib  
3. roslib.load_manifest('learning_tf')  
4.   
5. import rospy  
6. import tf  
7.   
8. if __name__ == '__main__':  
9.     rospy.init_node('my_tf_broadcaster')  
10.     br = tf.TransformBroadcaster()  
11.     rate = rospy.Rate(10.0)  
12.     while not rospy.is_shutdown():  
13.         br.sendTransform((0.0, 2.0, 0.0),  
14.                          (0.0, 0.0, 0.0, 1.0),  
15.                          rospy.Time.now(),  
16.                          "carrot1",  
17.                          "turtle1") #建立一个新的帧，父帧为turtle1，并且距离父帧2米  
18.         rate.sleep()  

       在launch文件中添加节点：

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1. <launch>  
2.   ...  
3.   <node pkg="learning_tf" type="fixed_tf_broadcaster.py"  
4.         name="broadcaster_fixed" />  
5. </launch>  

        运行，还是看到两只乌龟和之前的效果一样。新添加的帧并没有对其他帧产生什么影响。打开nodes/turtle_tf_listener.py文件，将turtle1改成carrot1：

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1. (trans,rot) = self.tf.lookupTransform("/turtle2", "/carrot1", rospy.Time(0))  

        重新运行，现在乌龟之间的跟随关系就改变了：

3、建立移动帧（moving frame）

        我们建立的新帧是一个固定的帧，在仿真过程中不会改变，如果我们要把carrot1帧和turtle1帧之间的关系设置可变的，可以修改代码如下：

[python] view plaincopy

1. #!/usr/bin/env python    
2. import roslib  
3. roslib.load_manifest('learning_tf')  
4.   
5. import rospy  
6. import tf  
7. import math  
8.   
9. if __name__ == '__main__':  
10.     rospy.init_node('my_tf_broadcaster')  
11.     br = tf.TransformBroadcaster()  
12.     rate = rospy.Rate(10.0)  
13.     while not rospy.is_shutdown():  
14.         t = rospy.Time.now().to_sec() * math.pi  
15.         br.sendTransform((2.0 * math.sin(t), 2.0 * math.cos(t), 0.0),  
16.                          (0.0, 0.0, 0.0, 1.0),  
17.                          rospy.Time.now(),  
18.                          "carrot1",  
19.                          "turtle1")  
20.         rate.sleep()  

        这次carrot1的位置现对于turtle1来说是一个三角函数关系了。

代码下载：http://download.csdn.net/detail/hcx25909/5708199

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