ROS 机器人技术 - 添加一个 TF 帧
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2020-08-01 22:18
登龙
这是我的第 140 篇原创
在实际的机器人中往往有很多个传感器，比如我们组目前用的小车上就有相机，雷达，IMU 等，为了能够在 TF 系统中找到传感器之间的转换，就需要把每个传感器的坐标系加到系统的 TF 树中，方法很简单，下面一起来学习下。
一、TF 树的注意事项
在实际使用和调试 TF 的时候一定要时刻记住：TF 树中的一个节点可以有多个子节点，但是只能有一个父节点，并且 TF 树中不能出现回环！
一个典型的 TF 树如下：
这个 TF 树中有 3 个坐标系：
- world：世界坐标系
- turtle1：乌龟 1 的坐标系，父节点是 world
- turtle2：乌龟 2 的坐标系，父节点时 world
如果你再发布一个「xxx -> turtle1」的变换，那 turtle1 就有 2 个父节点，这样是不可行的，违反了 TF 树的构建规则，实际使用是一定要注意了，如果你想查看系统当前的 TF 树，使用下面的命令：
rosrun rqt_tf_tree rqt_tf_tree
下面来学习如何为一个节点添加子坐标系。
二、添加子坐标系
同样进入 learning_tf2 包中：
roscd learning_tf2
然后在 src 下新建 frame_tf2_broadcaster.cpp 文件，代码如下：
#include
#include
#include
int main(int argc, char** argv)
{
ros::init(argc, argv, "my_tf2_broadcaster");
ros::NodeHandle node;
tf2_ros::TransformBroadcaster tfb;
geometry_msgs::TransformStamped transformStamped;
// 指定 carrot1 的父节点时 turtle1
// 即添加一个新的 carrot1 子坐标系到 turtle1
transformStamped.header.frame_id = "turtle1";
transformStamped.child_frame_id = "carrot1";
// carrot1 相对于 tutle1 做了 y 轴的偏移
transformStamped.transform.translation.x = 0.0;
transformStamped.transform.translation.y = 2.0;
transformStamped.transform.translation.z = 0.0;
tf2::Quaternion q;
q.setRPY(0, 0, 0);
transformStamped.transform.rotation.x = q.x();
transformStamped.transform.rotation.y = q.y();
transformStamped.transform.rotation.z = q.z();
transformStamped.transform.rotation.w = q.w();
ros::Rate rate(10.0);
while (node.ok()) {
transformStamped.header.stamp = ros::Time::now();
// 这两行表示让该 carrot1 参考系随着时间移动
transformStamped.transform.translation.x = 2.0 * sin(ros::Time::now().toSec());
transformStamped.transform.translation.y = 2.0 * cos(ros::Time::now().toSec());
// 将 carrot1 相对于 tutle1 的坐标变换广播到 TF 系统中
tfb.sendTransform(transformStamped);
rate.sleep();
printf("sending\n");
}
};
代码中最关键的就是要正确指定发布转换的 ID：
frame_id：父坐标系名称child_frame_id：子坐标系名称
然后添加编译规则：
add_executable(frame_tf2_broadcaster src/frame_tf2_broadcaster.cpp)
target_link_libraries(frame_tf2_broadcaster ${catkin_LIBRARIES})
编译：
catkin_make
在 launch 中添加启动：
<launch>
<node pkg="turtlesim" type="turtlesim_node" name="sim"/>
<node pkg="turtlesim" type="turtle_teleop_key" name="teleop" output="screen"/>
<param name="scale_linear" value="2" type="double"/>
<param name="scale_angular" value="2" type="double"/>
<node pkg="learning_tf2" type="turtle_tf2_broadcaster" args="/turtle1" name="turtle1_tf2_broadcaster" />
<node pkg="learning_tf2" type="turtle_tf2_broadcaster" args="/turtle2" name="turtle2_tf2_broadcaster" />
<node pkg="learning_tf2" type="turtle_tf2_listener" name="listener" />
<node pkg="learning_tf2" type="frame_tf2_broadcaster" name="broadcaster_frame" />
launch>
开始启动节点：
roslaunch learning_tf2 start_demo.launch
不过你应该发现小乌龟的跟随运动跟上一个实验一模一样，我们自己添加的坐标系没有产生作用，这是为何呢？这是因为虽然我们发布了新的变换，但是我们并没有使用它，来修改下 listener 的代码：
transformStamped = listener.lookupTransform("/turtle2", "/carrot1", ros::Time(0));
把 /turtle1 坐标系改为 /carrot1，因为我们要使用新添加的坐标系，所以寻找变换的坐标系参数就要填写新添加的坐标系名称，这样系统才能正确找到新添加的变换，再次编译重新运行：
catkin_make
roslaunch learning_tf2 start_demo.launch
你应该会发现现在的小乌龟产生的跟随运动与之前不一定了，两者之间的 y 方向有一定的距离，这个距离就是我们发布变换时指定的坐标系的相对位置：
OK！TF 系统常用的基础就学完了，目前因为项目有用到 TF，所以写了几篇基础的文章，之前没有看过的可以再回过头看下：
- ROS 机器人技术 - TF 坐标系统基本概念
- ROS 机器人技术 - 静态 TF 坐标帧
- ROS 机器人技术 - 广播与接收 TF 变换
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