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ROS探索总结(十二)——坐标系统

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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

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

2、运行demo

运行简单的demo:    $ 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建立了三个参考系:a world frame, a turtle1 frame, and a turtle2 frame。然后使用tf broadcaster发布乌龟的参考系,并且使用tf listener计算乌龟参考系之间的差异,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。

  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。

        该文件描述了参考系之间的联系。三个节点分别是三个参考系,而/world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还提供了一个tf_echo工具来查看两个广播参考系之间的关系。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。

  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。

  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,其他两个是乌龟的参考系。
下面我们就来详细分析这个实例。

二、Writing a tf broadcaster

1、创建包

  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:

  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.     <node name=”turtle1_tf_broadcaster” pkg=”learning_tf” type=”turtle_tf_broadcaster.py” respawn=”false” output=”screen” >
  6.       <param name=”turtle” type=”string” value=”turtle1″ />
  7.     </node>
  8.     <node name=”turtle2_tf_broadcaster” pkg=”learning_tf” type=”turtle_tf_broadcaster.py” respawn=”false” output=”screen” >
  9.       <param name=”turtle” type=”string” value=”turtle2″ />
  10.     </node>
  11.   </launch>

运行:$ 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

        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

这一步,我们将看到如何使用tf进行参考系转换。首先写一个tf listener(nodes/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:

  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,添加一个参考系是很有必要的,比如在一个world参考系下,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、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(nodes/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:

  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。新添加的参考系并没有对其他参考系产生什么影响。打开nodes/turtle_tf_listener.py文件,将turtle1改成carrot1:

  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()
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:

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