文章目录

• 前言
• 1. 多态坐标变换
• • 1.1 发布方
  • 1.2 订阅方(C++)
  • 1.3 订阅方(python)
• 2. 坐标系关系查看
• 3. TF坐标变换实操(C++)
• • 3.1准备
  • 3.2 生成新的乌龟
  • 3.3 增加键盘控制
  • 3.4 发布方(发布两只乌龟的坐标信息)
  • 3.5 订阅方(解析坐标信息并生成速度信息)

前言

📢本系列将依托赵虚左老师的ROS课程，写下自己的一些心得与笔记。
📢课程链接:https://www.bilibili.com/video/BV1Ci4y1L7ZZ
📢讲义链接:http://www.autolabor.com.cn/book/ROSTutorials/index.html
📢 文章可能存在疏漏的地方，恳请大家指出。

1. 多态坐标变换

需求描述:

现有坐标系统，父级坐标系统 world,下有两子级系统 son1，son2，son1 相对于 world，以及 son2 相对于 world 的关系是已知的，求 son1原点在 son2中的坐标，又已知在 son1中一点的坐标，要求求出该点在 son2 中的坐标

实现分析:

• 首先，需要发布 son1 相对于 world，以及 son2 相对于 world 的坐标消息
• 然后，需要订阅坐标发布消息，并取出订阅的消息，借助于 tf2 实现 son1 和 son2 的转换
• 最后，还要实现坐标点的转换

实现流程: C++ 与 Python 实现流程一致

• 新建功能包，添加依赖

• 创建坐标相对关系发布方(需要发布两个坐标相对关系)

• 创建坐标相对关系订阅方

• 执行

1.1 发布方

为了方便，使用静态坐标变换发布

启动

roslaunch tf2_test tf2_test_two.launch 

在rviz中查看

1.2 订阅方(C++)

#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"
#include "geometry_msgs/TransformStamped.h"
/*需求:现有坐标系统，父级坐标系统 world,下有两子级系统 son1，son2，son1 相对于 world，以及 son2 相对于 world 的关系是已知的，求 son1 与 son2中的坐标关系，又已知在 son1中一点的坐标，要求求出该点在 son2 中的坐标
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 TF 订阅对象5.解析订阅信息中获取 son1 坐标系原点在 son2 中的坐标解析 son1 中的点相对于 son2 的坐标6.spin*/
int main(int argc, char  *argv[])
{setlocale(LC_ALL,"");// 2.初始化 ros 节点ros::init(argc,argv,"tfs");// 3.创建 ros 句柄ros::NodeHandle nh;// 4.创建 TF 订阅对象tf2_ros::Buffer buffer;tf2_ros::TransformListener sub(buffer);// 5.解析订阅信息中获取 son1 坐标系原点在 son2 中的坐标//   解析 son1 中的点相对于 son2 的坐标//创建坐标点geometry_msgs::PointStamped pson1;pson1.header.frame_id = "son1";pson1.header.stamp = ros::Time::now();pson1.point.x  = 1.0;pson1.point.y  = 2.0;pson1.point.z  = 3.0;ros::Rate rate(10);while (ros::ok()){try{//1.计算son1与son2之间的相对关系geometry_msgs::TransformStamped son1toson2= buffer.lookupTransform("son1","son2",ros::Time(0));ROS_INFO("son1相对于son2的相对关系:父级:%s,子级:%s,偏移量:%0.2f,%0.2f,%0.2f",son1toson2.header.frame_id.c_str(),son1toson2.child_frame_id.c_str(),son1toson2.transform.translation.x,son1toson2.transform.translation.y,son1toson2.transform.translation.z);//2.计算son1中的某个目标点在son2中的坐标值geometry_msgs::PointStamped pson2;pson2 = buffer.transform(pson1,"son2");ROS_INFO("坐标点在son2中的值%0.2f,%0.2f,%0.2f",pson2.point.x,pson2.point.y,pson2.point.z);}catch(const std::exception& e){ROS_INFO("错误提示:%s",e.what());}rate.sleep();ros::spinOnce();}// 6.spinreturn 0;
}

PS:
lookupTransform的参数解释

计算son1中的某个目标点在son2中的坐标值(3,2,3)

计算son1与son2之间的相对关系

[ INFO] [1673275545.749496126]: son1相对于son2的相对关系:父级:son1,子级:son2,偏移量:-2.00,0.00,0.00
[ INFO] [1673275545.749576950]: 坐标点在son2中的值3.00,2.00,3.00
[ INFO] [1673275545.849524384]: son1相对于son2的相对关系:父级:son1,子级:son2,偏移量:-2.00,0.00,0.00
[ INFO] [1673275545.849619936]: 坐标点在son2中的值3.00,2.00,3.00
[ INFO] [1673275545.949552460]: son1相对于son2的相对关系:父级:son1,子级:son2,偏移量:-2.00,0.00,0.00
[ INFO] [1673275545.949686138]: 坐标点在son2中的值3.00,2.00,3.00
[ INFO] [1673275546.049589769]: son1相对于son2的相对关系:父级:son1,子级:son2,偏移量:-2.00,0.00,0.00
[ INFO] [1673275546.049734242]: 坐标点在son2中的值3.00,2.00,3.00
[ INFO] [1673275546.149552228]: son1相对于son2的相对关系:父级:son1,子级:son2,偏移量:-2.00,0.00,0.00
[ INFO] [1673275546.149697011]: 坐标点在son2中的值3.00,2.00,3.00
[ INFO] [1673275546.249640250]: son1相对于son2的相对关系:父级:son1,子级:son2,偏移量:-2.00,0.00,0.00
[ INFO] [1673275546.249781671]: 坐标点在son2中的值3.00,2.00,3.00
[ INFO] [1673275546.349580365]: son1相对于son2的相对关系:父级:son1,子级:son2,偏移量:-2.00,0.00,0.00
[ INFO] [1673275546.349704334]: 坐标点在son2中的值3.00,2.00,3.00

1.3 订阅方(python)

发布方都是用launch文件进行,所以不再重复.python版本的订阅方实现如下

#!/usr/bin/env python
"""  需求:现有坐标系统，父级坐标系统 world,下有两子级系统 son1，son2，son1 相对于 world，以及 son2 相对于 world 的关系是已知的，求 son1 与 son2中的坐标关系，又已知在 son1中一点的坐标，要求求出该点在 son2 中的坐标实现流程:   1.导包2.初始化 ROS 节点3.创建 TF 订阅对象4.调用 API 求出 son1 相对于 son2 的坐标关系5.创建一依赖于 son1 的坐标点，调用 API 求出该点在 son2 中的坐标6.spin"""
# 1.导包
import rospy
import tf2_ros
from geometry_msgs.msg import TransformStamped
from tf2_geometry_msgs import PointStampedif __name__ == "__main__":# 2.初始化 ROS 节点rospy.init_node("frames_sub_p")# 3.创建 TF 订阅对象buffer = tf2_ros.Buffer()listener = tf2_ros.TransformListener(buffer)rate = rospy.Rate(1)while not rospy.is_shutdown():try:# 4.调用 API 求出 son1 相对于 son2 的坐标关系#lookup_transform(self, target_frame, source_frame, time, timeout=rospy.Duration(0.0)):tfs = buffer.lookup_transform("son2","son1",rospy.Time(0))rospy.loginfo("son1 与 son2 相对关系:")rospy.loginfo("父级坐标系:%s",tfs.header.frame_id)rospy.loginfo("子级坐标系:%s",tfs.child_frame_id)rospy.loginfo("相对坐标:x=%.2f, y=%.2f, z=%.2f",tfs.transform.translation.x,tfs.transform.translation.y,tfs.transform.translation.z,)# 5.创建一依赖于 son1 的坐标点，调用 API 求出该点在 son2 中的坐标point_source = PointStamped()point_source.header.frame_id = "son1"point_source.header.stamp = rospy.Time.now()point_source.point.x = 1point_source.point.y = 1point_source.point.z = 1point_target = buffer.transform(point_source,"son2",rospy.Duration(0.5))rospy.loginfo("point_target 所属的坐标系:%s",point_target.header.frame_id)rospy.loginfo("坐标点相对于 son2 的坐标:(%.2f,%.2f,%.2f)",point_target.point.x,point_target.point.y,point_target.point.z)except Exception as e:rospy.logerr("错误提示:%s",e)rate.sleep()# 6.spin    # rospy.spin()

2. 坐标系关系查看

在机器人系统中，涉及的坐标系有多个，为了方便查看，ros 提供了专门的工具，可以用于生成显示坐标系关系的 pdf 文件，该文件包含树形结构的坐标系图谱。

首先调用rospack find tf2_tools查看是否包含该功能包，如果没有，请使用如下命令安装:

sudo apt install ros--tf2-tools

以多坐标变换的launch文件为例,启动launch文件

roslaunch tf2_test tf2_test_two.launch 

启动坐标系广播程序之后，运行如下命令:

rosrun tf2_tools view_frames.py

会产生类似于下面的日志信息:

[INFO] [1673336121.642848]: Listening to tf data during 5 seconds...
[INFO] [1673336126.655691]: Generating graph in frames.pdf file...

查看当前目录会生成一个 frames.pdf 文件
可以直接进入目录打开文件，或者调用命令查看文件:evince frames.pdf

3. TF坐标变换实操(C++)

实现分析:

乌龟跟随实现的核心，是乌龟A和B都要发布相对世界坐标系的坐标信息，然后，订阅到该信息需要转换获取A相对于B坐标系的信息，最后，再生成速度信息，并控制B运动。

• 启动乌龟显示节点
• 在乌龟显示窗体中生成一只新的乌龟(需要使用服务)
• 编写两只乌龟发布坐标信息的节点
• 编写订阅节点订阅坐标信息并生成新的相对关系生成速度信息

实现流程: C++ 与 Python 实现流程一致

• 新建功能包，添加依赖

• 编写服务客户端，用于生成一只新的乌龟

• 编写发布方，发布两只乌龟的坐标信息

• 编写订阅方，订阅两只乌龟信息，生成速度信息并发布

• 运行

3.1准备

1.新建一个功能包(tf2_turtle),包含以下依赖 tf2、tf2_ros、tf2_geometry_msgs、roscpp rospy std_msgs geometry_msgs、turtlesim

2.创建一个launch文件(start_tf_turtle.launch)

3.2 生成新的乌龟

实现生成乌龟龟的功能(spawn),此项任务在之前【ROS】—— ROS通信机制——实践与练习（六）已经实现,直接将代码复制,稍作修改即可.

spawn_new_turtle.cpp

/*生成一只小乌龟准备工作:1.服务话题 /spawn2.服务消息类型 turtlesim/Spawn3.运行前先启动 turtlesim_node 节点实现流程:1.包含头文件需要包含 turtlesim 包下资源，注意在 package.xml 配置2.初始化 ros 节点3.创建 ros 句柄4.创建 service 客户端5.等待服务启动6.发送请求7.处理响应*/#include "ros/ros.h"
#include "turtlesim/Spawn.h"int main(int argc, char *argv[])
{setlocale(LC_ALL,"");// 2.初始化 ros 节点ros::init(argc,argv,"set_turtle");// 3.创建 ros 句柄ros::NodeHandle nh;// 4.创建 service 客户端ros::ServiceClient client = nh.serviceClient("/spawn");// 5.等待服务启动// client.waitForExistence();ros::service::waitForService("/spawn");// 6.发送请求turtlesim::Spawn spawn;spawn.request.x = 1.0;spawn.request.y = 4.0;spawn.request.theta = 1.57;spawn.request.name = "turtle2";bool flag = client.call(spawn);// 7.处理响应结果if (flag){ROS_INFO("新的乌龟生成,名字:%s",spawn.response.name.c_str());} else {ROS_INFO("乌龟生成失败！！！");}return 0;
}

将launch文件更改如下:

启动launch文件,出现如下则运行成功.

3.3 增加键盘控制

若相对键盘控制进行修改(控制另一只乌龟),可以参考【ROS】—— ROS运行管理 ——元功能包与launch文件（八）或者使用rostopic pub参考【ROS】——常用命令（五）

3.4 发布方(发布两只乌龟的坐标信息)

订阅乌龟的位姿信息，然后再转换成坐标信息并发布
类似于【ROS】—— ROS常用组件_TF坐标变换_静态坐标变换与动态坐标变换(十)中的坐标变换,只不过此时需要发布两只乌龟的坐标信息.复制代码的方法可行,但却降低了代码的复用率.对此,我们有以下实现思路:

1.节点只编写一个
2.此节点需要启动两次
3.节点启动时动态传参:第一次启动后传递turtle1,第二次启动传递turtle2.

tf2_pub_turtle.cpp

/*  该文件实现:需要订阅 turtle1 和 turtle2 的 pose，然后广播相对 world 的坐标系信息注意: 订阅的两只 turtle,除了命名空间(turtle1 和 turtle2)不同外,其他的话题名称和实现逻辑都是一样的，所以我们可以将所需的命名空间通过 args 动态传入实现流程:1.包含头文件2.初始化 ros 节点3.解析传入的命名空间4.创建 ros 句柄5.创建订阅对象6.回调函数处理订阅的 pose 信息6-1.创建 TF 广播器6-2.将 pose 信息转换成 TransFormStamped6-3.发布7.spin*/
//1.包含头文件
#include "ros/ros.h"
#include "turtlesim/Pose.h"
#include "tf2_ros/transform_broadcaster.h"
#include "tf2/LinearMath/Quaternion.h"
#include "geometry_msgs/TransformStamped.h"
//保存乌龟名称
std::string turtle_name;void doPose(const turtlesim::Pose::ConstPtr& pose){//  6-1.创建 TF 广播器 ---------------------------------------- 注意 staticstatic tf2_ros::TransformBroadcaster broadcaster;//  6-2.将 pose 信息转换成 TransFormStampedgeometry_msgs::TransformStamped tfs;tfs.header.frame_id = "world";tfs.header.stamp = ros::Time::now();//传参关键点tfs.child_frame_id = turtle_name;//偏移量tfs.transform.translation.x = pose->x;tfs.transform.translation.y = pose->y;tfs.transform.translation.z = 0.0;//四元数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();//  6-3.发布broadcaster.sendTransform(tfs);} int main(int argc, char *argv[])
{setlocale(LC_ALL,"");// 2.初始化 ros 节点ros::init(argc,argv,"pub_tf");// 3.解析传入的命名空间if (argc != 2){ROS_ERROR("请传入正确的参数");} else {turtle_name = argv[1];ROS_INFO("乌龟 %s 坐标发送启动",turtle_name.c_str());}// 4.创建 ros 句柄ros::NodeHandle nh;// 5.创建订阅对象ros::Subscriber sub = nh.subscribe(turtle_name + "/pose",1000,doPose);//     6.回调函数处理订阅的 pose 信息//         6-1.创建 TF 广播器//         6-2.将 pose 信息转换成 TransFormStamped//         6-3.发布// 7.spinros::spin();return 0;
}

launch文件如下

启动launch文件后,再启动rviz,得到以下结果,则运行成功(三个坐标系)

3.5 订阅方(解析坐标信息并生成速度信息)

1. 订阅 turtle1 和 turtle2 的 TF 广播信息，查找并转换时间最近的 TF 信息
2. 将 turtle1 转换成相对 turtle2 的坐标，在计算线速度和角速度并发布

/*  订阅 turtle1 和 turtle2 的 TF 广播信息，查找并转换时间最近的 TF 信息将 turtle1 转换成相对 turtle2 的坐标，在计算线速度和角速度并发布实现流程:1.包含头文件2.初始化 ros 节点3.创建 ros 句柄4.创建 TF 订阅对象5.处理订阅到的 TF6.spin*/
//1.包含头文件
#include "ros/ros.h"
#include "tf2_ros/transform_listener.h"
#include "geometry_msgs/TransformStamped.h"
#include "geometry_msgs/Twist.h"int main(int argc, char *argv[])
{setlocale(LC_ALL,"");// 2.初始化 ros 节点ros::init(argc,argv,"sub_TF");// 3.创建 ros 句柄ros::NodeHandle nh;// 4.创建 TF 订阅对象tf2_ros::Buffer buffer;tf2_ros::TransformListener listener(buffer);// 5.处理订阅到的 TF// 需要创建发布 /turtle2/cmd_vel 的 publisher 对象ros::Publisher pub = nh.advertise("/turtle2/cmd_vel",1000);ros::Rate rate(10);while (ros::ok()){try{//5-1.先获取 turtle1 相对 turtle2 的坐标信息geometry_msgs::TransformStamped tfs = buffer.lookupTransform("turtle2","turtle1",ros::Time(0));//5-2.根据坐标信息生成速度信息 -- geometry_msgs/Twist.hgeometry_msgs::Twist twist;twist.linear.x = 0.5 * sqrt(pow(tfs.transform.translation.x,2) + pow(tfs.transform.translation.y,2));twist.angular.z = 4 * atan2(tfs.transform.translation.y,tfs.transform.translation.x);//5-3.发布速度信息 -- 需要提前创建 publish 对象pub.publish(twist);}catch(const std::exception& e){// std::cerr << e.what() << '\n';ROS_INFO("错误提示:%s",e.what());}rate.sleep();// 6.spinros::spinOnce();}return 0;
}

最后的launch文件

python版本的乌龟跟随实验与C++基本一致,具体可见TF坐标变换实操