TF坐標(biāo)在ROS中是一個非常重要的概念，因為機(jī)器人在做日常操作任務(wù)的時候，對于其所在位置和朝向是需要時刻知道的，而機(jī)器人是由很多節(jié)點組成的協(xié)同任務(wù)，對于每個部件，我們需要知道它的位姿(位置和朝向)，這使得坐標(biāo)系就成為了一個很重要的問題。
TF的功能就是能夠換算出該點在其他坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。比如，以機(jī)器人為例，定義兩個坐標(biāo)系，一個坐標(biāo)系以機(jī)器人移動平臺的中心為原點，稱為base_link參考系，另一個坐標(biāo)系以激光雷達(dá)的中心為原點，稱為base_laser參考系，當(dāng)然這個命名是需要唯一。利用TF坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將base_laser參考系與base_link參考系重合，這樣就可以準(zhǔn)確得知機(jī)器人自身位置，便于繼續(xù)進(jìn)行下一步的操作。

1、術(shù)語概述

那么在介紹坐標(biāo)系的時候，會經(jīng)?？吹轿恢?、朝向，位姿等術(shù)語，先介紹下在三維世界中的幾個術(shù)語：
位置：是一個三維的向量(x,y,z)，用于表示相對于原點沿著各個軸的方向分別移動了多遠(yuǎn)。
朝向：也是一個三維向量(roll,pitch,yaw)，用于表示分別繞各個軸轉(zhuǎn)動了多少。
位姿：將位置和朝向放在一起，一對(位置,朝向)表示一個位姿。這種具有六維(三維位移,三維旋轉(zhuǎn))的位姿成為6D位姿。
給定兩者之間的位姿，我們可以變換兩個坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)，這個變換通常是一些矩陣乘法。有的位姿是動態(tài)的，有的位置是固定的，比如說，固定在機(jī)器人身上的激光雷達(dá)，就是相對固定的；而機(jī)械手的位姿就是不斷變化的，因為需要移動，旋轉(zhuǎn)等和做一些抓取動作。
為了管理這些坐標(biāo)系和變換，就設(shè)計了這個tf(Transform的縮寫)包來實現(xiàn)，使用的是分布式的方式，用ROS話題來共享變換的數(shù)據(jù)。任何節(jié)點可以發(fā)布某些變換的當(dāng)前信息，并且任何節(jié)點都可以訂閱變換的數(shù)據(jù)，從不同的發(fā)布源得到機(jī)器人各部件之間的所有變換關(guān)系。

2、tf坐標(biāo)系

對于一個強(qiáng)大系統(tǒng)來說，tf會比較的復(fù)雜，出錯的可能性較大，所以就出現(xiàn)很多關(guān)于tf相關(guān)的檢查和調(diào)試工具，幫助你理解正在發(fā)生的實情，我們接下來看下有哪些可視化的工具可供使用。

2.1、view_frames

我們先啟動海龜示例，對于前面安裝過的可以忽略，也可以使用 sudo apt install ros-melodic-turtle-tf 進(jìn)行安裝，對于ros的安裝，推薦大家可以看下前面介紹的一篇文章：Ubuntu18.04版本安裝ROS及出現(xiàn)錯誤的處理方法

啟動海龜

roslaunch turtle_tf turtle_tf_demo.launch

啟動鍵盤操作

rosrun turtlesim turtle_teleop_key

然后再開一個終端運行命令：rosrun tf view_frames

the rosdep view is empty: call 'sudo rosdep init' and 'rosdep update'
Listening to /tf for 5.0 seconds
Done Listening
dot - graphviz version 2.40.1 (20161225.0304)

Detected dot version 2.40
frames.pdf generated

這里生成了一個坐標(biāo)系的pdf文件frames.pdf，在后面看到的frame也都表示為坐標(biāo)系的意思。

2.2、rqt_tf_tree

對于上面這個view_frames命令，運行后保存的是當(dāng)前坐標(biāo)系，不過這樣的保存是離線的，不能實時反映變化的坐標(biāo)關(guān)系。
我們換一個命令：rqt_tf_tree，可以顯示tf坐標(biāo)系的樹結(jié)構(gòu)

rosrun rqt_tf_tree rqt_tf_tree

運行上面命令將會彈出可視化界面，如下圖：

可以看到，顯示了錄制時間，兩個海龜對應(yīng)的廣播(發(fā)布)節(jié)點，平均速率、緩沖大小，最近和最舊的轉(zhuǎn)換時間，還可以高亮顯示，鼠標(biāo)放在節(jié)點上面，相關(guān)節(jié)點將顯示不同顏色。
我們可以操作海龜，然后點擊左上角的刷新，就會看到速率等都發(fā)生了變化，這樣看起來就比較直觀。如下圖：

TF建立的樹狀結(jié)構(gòu)的坐標(biāo)系，在整個坐標(biāo)系是沒有閉環(huán)的，也就是說每個坐標(biāo)系，只能有一個父坐標(biāo)系，但可以有多個子坐標(biāo)系。

2.3、tf_echo

命令格式：rosrun tf tf_echo <source_frame> <target_frame>?
顯示的信息是從source_frame到target_frame的旋轉(zhuǎn)平移變換。

查看兩只海龜參考系之間的關(guān)系

rosrun tf tf_echo turtle1 turtle2

At time 1652155224.053
- Translation: [0.000, 0.000, 0.000]
- Rotation: in Quaternion [0.000, 0.000, 0.893, 0.450]
? ? ? ? ? ? in RPY (radian) [0.000, -0.000, 2.208]
? ? ? ? ? ? in RPY (degree) [0.000, -0.000, 126.509]
At time 1652155225.061
- Translation: [0.000, 0.000, 0.000]
- Rotation: in Quaternion [0.000, 0.000, 0.893, 0.450]
? ? ? ? ? ? in RPY (radian) [0.000, -0.000, 2.208]
? ? ? ? ? ? in RPY (degree) [0.000, -0.000, 126.509]
At time 1652155226.053
- Translation: [0.000, 0.000, 0.000]
- Rotation: in Quaternion [0.000, 0.000, 0.893, 0.450]
? ? ? ? ? ? in RPY (radian) [0.000, -0.000, 2.208]
? ? ? ? ? ? in RPY (degree) [0.000, -0.000, 126.509]

2.4、static_transform_publisher

兩個坐標(biāo)系之間的靜態(tài)坐標(biāo)變換，這兩個坐標(biāo)系不發(fā)生相對位置變化。比如說，無人車上的激光雷達(dá)與IMU慣性測量模塊，這兩者基本是固定的，所以可以使用static_transform_publisher來發(fā)布這兩者的坐標(biāo)變換。
命令格式如下：
第一種命令格式：

static_transform_publisher x y z yaw pitch roll frame_id child_frame_id period_in_ms

第二種命令格式：

static_transform_publisher x y z qx qy qz qw frame_id child_frame_id period_in_ms

上面的兩種格式，需要設(shè)置坐標(biāo)的偏移和旋轉(zhuǎn)參數(shù)
偏移參數(shù)：都使用相對于x y z三軸的坐標(biāo)位移。
旋轉(zhuǎn)參數(shù)：其中第一種命令格式使用以弧度為單位的 yaw pitch roll 三個角度(yaw是圍繞x軸旋轉(zhuǎn)的偏航角，pitch是圍繞y軸旋轉(zhuǎn)的俯仰角，roll是圍繞z軸旋轉(zhuǎn)的翻滾角）
第二種命令格式使用四元數(shù)表達(dá)旋轉(zhuǎn)角度。
period_in_ms發(fā)布頻率以毫秒為單位，一般100ms也就是0.1秒比較合適。

在launch中使用方法示例如下：

<launch>
    <node pkg="tf" type="static_transform_publisher" name="link1_broadcaster" args="1 0 0 0 0 0 1 link1_parent link1 100" />
</launch>

2.5、roswtf

roswtf是一個插件，分析你當(dāng)前的tf配置并試圖找出常見問題。
比如輸入命令，本人當(dāng)前狀態(tài)顯示如下信息，有錯誤等情況都會高亮顯示：

the rosdep view is empty: call 'sudo rosdep init' and 'rosdep update'
No package or stack in the current directory
================================================================================
Static checks summary:

Found 1 error(s).

ERROR ROS Dep database not updated: Please update rosdep database with 'rosdep update'.
================================================================================
Beginning tests of your ROS graph. These may take a while...
analyzing graph...
... done analyzing graph
running graph rules...
connection to [/tf_echo_1652154589994246734] timed out
... done running graph rules

Online checks summary:

Found 1 warning(s).
Warnings are things that may be just fine, but are sometimes at fault

WARNING The following node subscriptions are unconnected:
?* /tf_echo_1652154589994246734:
? ?* /tf_static
?* /turtle_pointer:
? ?* /tf_static

Found 2 error(s).

ERROR Could not contact the following nodes:
?* /tf_echo_1652154589994246734

ERROR Errors connecting to the following services:
?* service [/tf_echo_1652154589994246734/set_logger_level] appears to be malfunctioning: Unable to communicate with service [/tf_echo_1652154589994246734/set_logger_level], address [rosrpc://jetson-desktop:54551]
?* service [/tf_echo_1652154589994246734/get_loggers] appears to be malfunctioning: Unable to communicate with service [/tf_echo_1652154589994246734/get_loggers], address [rosrpc://jetson-desktop:54551]

3、tab鍵

tab鍵，能夠?qū)⒋a補(bǔ)全或顯示有關(guān)輸入命令的未完成命令，雙擊tab鍵可以提高效率和確保輸入的命令是無誤的。
比如輸入：rosrun rqt_? ?然后雙擊tab鍵，將自動出現(xiàn)關(guān)于rqt開頭的各種節(jié)點：

rqt_action ? ? ? ? ? rqt_logger_level ? ? rqt_robot_monitor
rqt_bag ? ? ? ? ? ? ?rqt_moveit ? ? ? ? ? rqt_robot_steering
rqt_bag_plugins ? ? ?rqt_msg ? ? ? ? ? ? ?rqt_runtime_monitor
rqt_console ? ? ? ? ?rqt_nav_view ? ? ? ? rqt_rviz
rqt_dep ? ? ? ? ? ? ?rqt_plot ? ? ? ? ? ? rqt_service_caller
rqt_graph ? ? ? ? ? ?rqt_pose_view ? ? ? ?rqt_shell
rqt_gui ? ? ? ? ? ? ?rqt_publisher ? ? ? ?rqt_srv
rqt_gui_cpp ? ? ? ? ?rqt_py_common ? ? ? ?rqt_tf_tree
rqt_gui_py ? ? ? ? ? rqt_py_console ? ? ? rqt_top
rqt_image_view ? ? ? rqt_reconfigure ? ? ?rqt_topic
rqt_launch ? ? ? ? ? rqt_robot_dashboard ?rqt_web

如果內(nèi)容顯示特別多，還會提示，比如我只輸入：rosrun然后雙擊tab鍵
Display all 229 possibilities? (y or n)
可以選擇是否繼續(xù)顯示。

如果輸入的命令接下來是確定性匹配，這個時候雙擊tab鍵將自動補(bǔ)全剩余的。
比如輸入：rosrun rqt_gu
雙擊tab鍵將會自動補(bǔ)全成rosrun rqt_gui，我們再次雙擊tab鍵，將列出rqt_gui開頭的所有匹配節(jié)點：

rqt_gui ? ? ?rqt_gui_cpp ?rqt_gui_py

4、可視化工具

4.1、rqt_graph

rqt_graph可以將計算圖可視化，輸入命令：rosrun rqt_graph rqt_graph
如果沒有啟動節(jié)點管理器而直接運行這條命令則會報錯：
Could not find ROS master,Either start a 'roscore' or abort loading the plugin.

所以我們在此之前，先啟動節(jié)點管理器，也是以海龜為示例，然后運行上面那條命令，如下圖：?

可以直觀的看到兩個海龜節(jié)點，里面有pose位姿，鍵盤操作等話題，然后位姿通過各自的廣播來發(fā)布信息，中間有一個就是我們這節(jié)重點講解的tf坐標(biāo)系的話題topic:/tf（具備訂閱和發(fā)布功能）來變換坐標(biāo)，最后通過節(jié)點/turtle_pointer到/rosout輸出。
對于圖中有哪些節(jié)點，我們也可以通過命令來獲?。?span style="color:#be191c;">rosnode list

/rosout
/sim
/teleop
/teleop_turtle
/turtle1_tf_broadcaster
/turtle2_tf_broadcaster
/turtle_pointer

對于節(jié)點可以看做是網(wǎng)站中的各自端口對應(yīng)的應(yīng)用，所以我們也可以像ping網(wǎng)絡(luò)一樣的來查看：
rosnode ping /rosout

rosnode: node is [/rosout]
pinging /rosout with a timeout of 3.0s
xmlrpc reply from http://jetson-desktop:46881/?? ?time=1.574039ms
xmlrpc reply from http://jetson-desktop:46881/?? ?time=1.164913ms
...

rosnode ping /sim

rosnode: node is [/sim]
pinging /sim with a timeout of 3.0s
xmlrpc reply from http://jetson-desktop:36081/?? ?time=1.548052ms
xmlrpc reply from http://jetson-desktop:36081/?? ?time=1.078129ms
...

4.2、rqt_topic?

rqt_topic查看話題的一個插件，能夠知道各節(jié)點話題的具體實時變化情況，輸入命令：

rosrun rqt_topic rqt_topic

如下圖：

可以看到，每個話題的詳細(xì)信息，有Type消息類別、Bandwidth帶寬、Hz頻率、Value值。
我們點開/tf坐標(biāo)系查看下里面有哪些屬性，如下圖：

可以看到，指明了父坐標(biāo)和子坐標(biāo)，當(dāng)然主要還是坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，其中時間戳有兩個，一個納秒和一個秒為單位的時間。?

?4.3、rqt_publisher

rqt_publisher用來發(fā)布具有固定或計算字段值的任意消息。輸入命令：
rosrun rqt_publisher rqt_publisher
將會彈出如下圖的界面：

topic話題和type消息數(shù)據(jù)類型，都可以點擊下拉框進(jìn)行選擇，頻率的輸入，然后點擊+號添加進(jìn)來。如下圖：?

然后就可以修改里面的expression字段對應(yīng)的值，手動進(jìn)行輸入調(diào)試。

4.4、rviz

rviz是ROS自帶的一個圖形化工具，可以方便的對ros的程序進(jìn)行圖形化操作。輸入命令：rviz
如下圖：

主要分5個功能區(qū)，如圖中所標(biāo)識的。其中工具欄中的Set initial pose、Set target pose、Publish location point：一般在建圖導(dǎo)航時使用。

添加顯示操作如圖：

點擊左下角的Add按鈕，將會彈出一個界面，然后可以選擇“By display type”通過顯示類型來添加，不過需要自己修改對應(yīng)話題，坐標(biāo)系才可以顯示出來；或者就是選擇“By topic”通過話題的方式，直接添加就可以正常顯示。最后點擊右下角的OK按鈕即可

最后溫馨提示，在使用ROS核心工具和其他Linux命令的時候，常記得敲tab鍵，可以節(jié)省大量時間。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-664229.html

到了這里，關(guān)于機(jī)器人TF坐標(biāo)系變換與一些可視化工具的應(yīng)用的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！